Guide du bâtiment durable en régions tropicalesTome 1 : Stratégies de conception des nouveaux bâtiments en régions tropicales

POINTS DE REPÈRE 24

Guide du bâtiment durable en régions tropicalesTome 1 : Stratégies de conception des nouveaux bâtiments en régions tropicales

POINTS DE REPÈRE 24

Comité de rédaction et comité éditorial

Direction de la publication Jean-Pierre Ndoutoum, Directeur de l’IFDDDirection de la rédaction Stéphane Pouffary, ENERGIES 2050Rédaction Stéphane Pouffary, ENERGIES 2050 Guillaume Delaboulaye, ENERGIES 2050Équipe de l’Institut de la Francophonie pour le Développement Durable (IFDD) responsable de l’éditionBoufeldja Benabdallah, Spécialiste de programme a.i.,

Politique de l’énergie – Maîtrise et accès à l’énergie – Villes durablesLouis-Noël Jail, Chargé de communication,

responsable du Service Information et DocumentationMarilyne Laurendeau, Assistante de communicationMise en page et révision linguistique Interscript inc.Illustrations ENERGIES 2050Photos de couverture ENERGIES 2050 (Burundi ; Singapour), www.wilroof.com.au, Conseil Régional du Cairns, imapermacultura.wordpress.com (Institut Mésoaméricain de Permaculture)

Ce document a été préparé par ENERGIES 2050 pour le compte de l’Institut de la Francophonie pour le Développement Durable (IFDD) et ne représente pas nécessairement le point de vue de l’une ou l’autre de ces organisations.

ISBN version imprimée : 978-2-89481-213-6ISBN version électronique : 978-2-89481-215-0Vous pouvez consulter ce guide en ligne à : www.ifdd.francophonie.org/ressources/ressources-pub.php?id=8

Avec le soutien de :

© Institut de la Francophonie pour le Développement Durable (IFDD) 2015 56, rue Saint-Pierre, 3e étage, Québec, Canada G1K 4A1 Téléphone : 418 692-5727 Télécopie : 418 692-5644 ifdd@francophonie.org – www.ifdd.francophonie.org

Cette publication a été imprimée sur du papier contenant 100 % de fibres postconsommation, procédé sans chlore à partir d’énergie biogaz.recyclé.IMPRIMÉ AU CANADADécembre 2015

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Préface

Notre monde est confronté aux limites de son modèle de développement, comme en témoignent les crises répétées auxquelles nous devons faire face, qu’elles soient

d’ordre environnemental, énergétique, social ou économique. Ces crises sont exacerbées par les conséquences des changements climatiques dont l’origine anthropique ne fait aujourd’hui plus guère de doute. Nos modes de consommation et de production ainsi que nos modèles énergétiques, fortement dépendants des énergies fossiles, en sont les principales causes ; l’organisation actuelle de nos sociétés engendre des déséquilibres à tous les niveaux qui ne peuvent être soutenables sur le long terme.

Face à ces défis multiples qui ne peuvent plus être ignorés, nous n’avons d’autre choix que de réussir une transition vers des sociétés plus respectueuses de l’homme et de son environnement. Chacun a compris que le temps n’est plus au plaidoyer mais à l’ac-tion concrète pour un changement profond et radical de nos modes de fonctionnement. L’année 2015 constitue, dans ce cadre, une année particulièrement charnière avec :

• l’adoptiondesObjectifsduDéveloppementDurableenseptembreparlesNationsUnies,quiprennentlasuitedesObjectifsduMillénairepourleDéveloppementpour l’après-2015 ;

• laConférencedesPartiesdelaConventionCadredesNationsUniessurlesChangements Climatiques à Paris en novembre-décembre (CdP21), devant aboutir à un nouvel accord international permettant de limiter les impacts liés aux dérèglements du climat.

L’environnement construit (bâtiments et villes), au cœur des enjeux et des défis que rencontrent nos sociétés, est au nœud des changements souhaités. Les villes abritent aujourd’hui plus de 50 % de la population mondiale, consomment les 2/3 de l’énergie produite au plan mondial et contribuent pour autant aux émissions de gaz à effet de serre. Cette énergie est en grande partie utilisée pour les besoins de mobilité et de confort dans les bâtiments (bureaux et logements). Le secteur du bâtiment et de la construction représente à lui seul 40 % de l’énergie totale consommée et environ 35 % des émissions de gaz à effet de serre. À cela s’ajoutent également des impacts considé-rables sur la consommation de ressources ou encore la génération de déchets.

Ces tendances devraient se maintenir, voire se renforcer. En effet, en 2050, 75 % de la population mondiale vivra dans les villes.

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Les choix de développement qui seront faits aujourd’hui à ce niveau, leur organi-sation spatiale et la façon de les mettre en œuvre détermineront les quantités et la qualité de l’énergie à fournir pour relever les énormes défis de l’accès aux services de base qui se poseront à cet horizon dans les villes, qu’elles soient petites, moyennes ou grandes. L’espace urbain rassemble en effet des systèmes intégrés, organisés selon des schémas complexes et de nature très variée selon que l’on considère les infrastructures, les équipements et les activités génératrices de biens ou de services, ou encore la satis-faction des besoins essentiels d’une population concentrée géographiquement. Il s’agit d’assurer l’accès à l’eau, à l’énergie, à un réseau de transport adapté, à des logements de qualité, à l’alimentation, à la santé, à l’éducation, à la sécurité, à un réseau d’assainisse-ment des eaux usées et de gestion des déchets, à un environnement sain, à un nombre suffisant d’emplois sains et décents, à l’équité sociale ainsi qu’à des notions plus person-nelles telles que le bien-être ou le bonheur.

Ces systèmes sont interdépendants et cela est particulièrement visible dès lors qu’il s’agit des réseaux de transport, de gestion des eaux, de la distribution énergétique ou encore des réseaux de communication, et c’est pourquoi il est important de souligner la nécessité d’une approche holistique de la ville tant dans l’analyse des défis qu’elle rencontre que des réponses à apporter.

Ces réponses, de nature variée, sont déterminantes quant au contenu et à la direction à donner à la transition énergétique.

Les professionnels de l’aménagement urbain et de la gestion urbaine, de la construction et du bâtiment sont les principaux artisans des choix à opérer et des réponses à apporter pour que les villes jouent pleinement leur rôle dans cette transition.

Avec de forts effets de blocage dans le futur si rien n’est fait aujourd’hui et, face aux nouveaux enjeux climatiques, l’urgence à agir dans le domaine du bâti est réelle. De plus, cet impératif à l’action immédiate est renforcé par une croissance exponen-tielle des besoins en constructions, sans précédent dans l’histoire de l’humanité. Cette croissance peut s’expliquer par des facteurs démographiques, avec une population qui dépassera les 9 milliards d’individus d’ici à 2050, mais également par un processus d’urbanisation massif, particulièrement dans les zones tropicales d’Afrique et d’Asie. SelonONUHabitatlesvillesafricainesaccueilleront,enmoyenne,40000personnessupplémentaires par jour d’ici à 2025. Ces chiffres permettront à chacun d’imaginer l’ampleur des défis au regard d’une situation qu’aucune société n’a expérimentée en un si court laps de temps.

Les conséquences de ce processus se font d’ores et déjà ressentir dans un grand nombre de pays : multiplication des logements informels insalubres, manque d’accès aux services de base et à l’énergie, gaspillages liés à des conceptions inadaptées des bâti-ments, etc., auxquelles viennent s’ajouter des problèmes sécuritaires et d’intégration sociale. Dans certaines parties d’Afrique subsaharienne, le parc de bâtiments pourrait être multiplié par 4 voire 5 d’ici à 2050, alors que cette région, la moins électrifiée au monde, fait déjà face à de sérieux problèmes d’approvisionnement en services et en matières premières.

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Si la situation est critique, il convient cependant de ne pas céder à la fatalité. Des solutions existent et les opportunités ayant déjà fait leurs preuves dans l’environnement construit sont considérables. Le GIEC estimait ainsi qu’au niveau mondial, des réduc-tions de 25 à 30 % de la demande énergétique pourraient être atteintes à coûts réduits voire négatifs, et que les économies totales pourraient aller jusqu’à 90 % pour les nouveaux bâtiments1. Une intégration des énergies renouvelables dans la conception, couplée à une architecture adaptée et efficace sur le plan énergétique, pourrait ainsi permettre d’atténuer une partie des contraintes auxquelles nous sommes tous collecti-vement confrontés.

La publication du Guide du bâtiment durable en régions tropicales s’inscrit dans ce contexte. Ce guide répond également au manque de littérature intégrée existant dans ce domaine pour les zones tropicales, où les méthodes de conception sont trop souvent calquées sur celles des zones tempérées. Il a également pour objectif d’apporter aux professionnels du secteur et aux décideurs des éléments techniques pour la conception des nouveaux bâtiments (tome 1) et pour la rénovation de l’existant (tome 2).

Publié en français, ce Guide s’inscrit dans le cadre des Initiatives francophones pourlapromotiondesvillesdurablesenAfriqueportéesparl’Organisationinternatio-naledelaFrancophonie(OIF)àtraverssonorganesubsidiaire,l’InstitutdelaFranco-phonie pour le Développement Durable (IFDD), et par ses partenaires.

L’espace francophone porte en lui une identité culturelle et historique propice à la réalisation d’actions concertées, et rassemble un nombre important de pays aux contextes différents mais qui sont généralement confrontés à des défis communs et significatifs.

En particulier, ce Guide est une réalisation concrète de l’Initiative de la Francopho-nie pour des Villes Durables (IFVD) cofondée par l’IFDD et l’association ENERGIES 2050 en 2011. En ce sens, il se veut également une opportunité pour chacun de ques-tionner ses pratiques professionnelles et de s’inscrire dans des dynamiques de dévelop-pement et d’aménagements résilients, sobres en ressources naturelles et en carbone, porteuses d’un mieux-vivre partagé et générateur d’activités économiques répondant aux critères du développement soutenable.

L’objectif de l’IFVD est de pouvoir apporter des réponses concrètes aux situations critiques auxquelles sont confrontées les villes, qu’elles soient de petite ou de grande taille, et qu’elles se trouvent dans des pays en développement, en transition ou indus-trialisés. Il s’agit également de tenir compte de la situation de l’habitat précaire, de l’absence d’efficacité énergétique, des difficultés d’approvisionnement, des change-ments climatiques, etc., tout en prenant en compte la faible contribution des pays en

1.LuconO.etal,IPCC2014.Buildings, Chapter 9 of the Working Group III contribution to the 5th Assessment report « Climate Change 2014 : Mitigation of Climate Change » [Edenhofer,O.,R.Pichs-Madruga,Y.Sokona,E.Farahani,S.Kadner,K.Seyboth,A.Adler,I.Baum,S.Brunner,P.Eickemeier,B.Kriemann,J.Savolainen,S.Schlömer,C.vonStechow,T.ZwickeletJ.C.Minx(eds.)].CambridgeUniversityPress,Cambridge,Royaume-UnietNewYork,NY,États-Unis,disponibleviahttp://mitigation2014.org/

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développement aux émissions de gaz à effet de serre et leur fragilisation accentuée au regard des conséquences des changements climatiques.

Le Guide du bâtiment durable en régions tropicales répond ainsi à plusieurs axes stratégiques de cette initiative, notamment sa volonté de mutualiser les connaissances, de s’accorder sur un langage commun avec une indispensable compréhension métho-dologique et des indicateurs partagés, ou encore de renforcer la capacité d’agir des acteurs de la ville. Il fait suite à un premier rapport, publié par l’Institut de l’Énergie et de l’Environnement de la Francophonie (ancêtre de l’IFDD) en 2006, intitulé « Efficacité énergétique de la climatisation en milieu tropical ».

En considérant le bâtiment comme un système intégré à un environnement local spécifique, et en prenant en compte l’ensemble de son cycle de vie, cet ouvrage apporte des éléments de réponse clairs qui doivent permettre à l’ensemble des parties prenantes de se réapproprier la question du bâti en milieu tropical.

Le temps n’est plus au plaidoyer mais à l’action il convient collectivement de démultiplier les opportunités d’actions et de témoigner des possibles. Les deux tomes du Guide du bâtiment durable en régions tropicales s’inscrivent résolument dans cette dynamique.

L’IFDD et ENERGIES 2050 Septembre 2015

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Présentation de l’ouvrage

Le Guide du bâtiment durable en régions tropicales a pour objectif d’apporter des éléments de réponse aux problématiques environnementales, économiques et

sociales conséquences d’une urbanisation massive et de pratiques de conception et de construction de bâtiments peu adaptées aux régions tropicales. Il entend servir de réfé-rence aux professionnels du secteur de la construction et, plus généralement, de l’envi-ronnement construit ainsi qu’aux institutions publiques intervenant dans les régions concernées. Plus largement, il a vocation à donner des clefs de lecture aux enseignants, aux chercheurs et aux étudiants. Il se veut également une invitation à chacun de ques-tionner ses pratiques professionnelles et de s’inscrire dans des dynamiques de dévelop-pement et d’aménagements résilients, sobres en ressources naturelles et en carbone, porteuses d’un mieux-vivre partagé et générateur d’activités économiques répondant aux critères du développement soutenable.

Ce guide s’articule en deux tomes complémentaires :Le premier tome est consacré à l’intégration des objectifs de durabilité dans la

conception des nouveaux bâtiments en régions tropicales. Il traite notamment des stratégies passives de ventilation et d’éclairage ainsi que de la conception des systèmes d’air conditionné. Il se compose de sept chapitres :

Chapitre 1 : Climat et diagrammes bioclimatiquesChapitre 2 : Stratégies passives dans le bâtiment, bases et conceptsChapitre 3 : Ventilation et systèmes de refroidissement naturelsChapitre 4 : Éclairage naturel et intégration avec éclairage artificielChapitre 5 : Systèmes d’air conditionné et climatisationChapitre 6 : Énergies renouvelablesChapitre 7 : Gestion de l’eau.La climatisation étant l’une des sources majeures de consommation énergétique

en régions tropicales, plusieurs chapitres seront axés principalement sur les méthodes visant à limiter la chaleur à l’intérieur du bâtiment et à assurer le confort thermique de ses occupants : prise en compte du microclimat local et intégration avec objectifs de confort (chapitres 1 et 2), conception de systèmes de ventilation et de refroidissement naturels (chapitre 3), éclairage et équipements efficaces (chapitre 4) et enfin conception des systèmes de climatisation (chapitre 5).

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Le second tome est complémentaire du premier et se concentre sur l’efficacité énergétique des bâtiments existants en régions tropicales.

Il est axé autour de quatre thématiques principales sachant que les chapitres 2 et 3 sont consacrés à la réduction des charges en climatisation :

Chapitre 1 : Établir un diagnostic des performances du bâtimentChapitre 2 : Isolation thermique du bâtimentChapitre 3 : Systèmes d’air conditionné et climatisationChapitre 4 : Éclairage, eau et énergies renouvelablesIl convient de noter que, pour faciliter la lecture du présent document, les réfé-

rences bibliographiques et les sources des illustrations ont été ajoutées à la fin de chaque chapitre.

L’ensemble de l’iconographie a été créée ou adaptée spécifiquement pour les besoins de ce guide afin d’accompagner le lecteur tout au long des deux tomes.

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Présentation de l’ouvrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix

Introduction : Enjeux économiques, sociaux et environnementaux du bâtiment durable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Éléments de contexte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Les tropiques : une zone d’action prioritaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction au concept de bâtiment vert et de bâtiment durable . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Des avantages économiques et sociaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Un enjeu économique de taille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Une réduction des coûts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Effets sur l’emploi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Sécurité énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Santé, qualité de vie et productivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Soutien à l’économie locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Des barrières structurelles à dépasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

TOME 1 : STRaTÉgIES DE cOncEPTIOn DES nOuvEaux bÂTIMEnTS En RÉgIOnS TROPIcalES

chapitre 1 : climat et diagrammes bioclimatiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1 Les climats tropicaux : principales caractéristiques et zones géographiques . . . . . . 13

1.1.1 Climats équatoriaux (Af sur la carte). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.1.2 Climats humides et secs (As et Aw). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.1.3 Climats de moussons (Am). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 Les principaux paramètres climatiques à prendre en compte lors de la conception d’un bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2.1 Les températures extérieures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Topographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Urbanisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Effet d’albédo et caractéristiques des sols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

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1.2.2 L’humidité relative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.2.3 L’influence du soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.2.4 Radiations solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Topographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Composition atmosphérique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Zones côtières. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2.5 Les vents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Vents locaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Rugosité et végétation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.2.6 Rapide revue de l’impact des différents climats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.3 Climat et confort : les diagrammes bioclimatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3.1 DiagrammedeOlgyay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3.2 Diagramme de Givoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.3.3 Diagramme de Givoni et Milne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.4 Adaptation du diagramme bioclimatique aux climats chauds . . . . . . . . . . 28

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

chapitre 2 : Stratégies passives dans le bâtiment, bases et concepts. . . . . . . . . . . . . 312.1 Notions de confort des occupants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.1 Notions de confort hygrothermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.1.2 Confort olfactif et renouvellement d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.1.3 Confort visuel et éclairage naturel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Distribution de la luminance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Facteur de lumière du jour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Facteur de lumière du jour moyen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Facteur d’autonomie en lumière du jour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Éblouissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.4 Confort acoustique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.2 Premières étapes d’une stratégie passive : choix du site et orientation . . . . . . . . . . 42

2.2.1 Sélection du site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.2.2 Orientationdubâtiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.2.3 Placement des espaces internes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.3 Forme du bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.3.1 Compacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.3.2 Exemple d’élément architectural en climat tropical :

cour intérieure et atrium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.3.3 Exemple d’architecture en climat tropical sec : la voûte nubienne . . . . . . . 50

2.4 Choix de l’enveloppe du bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.4.1 Toits 522.4.2 Principes généraux concernant les parois extérieures . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

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2.4.3 Les fenêtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.4.4 Choix des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.5 Plan de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

chapitre 3 : ventilation et systèmes de refroidissement naturels . . . . . . . . . . . . . . . 613.1 Avantages de la ventilation naturelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.1.1 Avantages économiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.1.2 Confort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.1.3 Bénéfices environnementaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.2 Principes de la ventilation naturelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.2.1 Ventilation par effet de cheminée / tirage thermique. . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.2.1.1 Principes et concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.2.1.2 Risques liés aux vents extérieurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.2.1.3 Gestion de la taille relative des ouvertures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.2.1.4 Méthodes à considérer pour accroître l’efficacité . . . . . . . . . . . . . 68

3.2.2 Ventilation transversale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.2.2.1 Types de ventilation transversale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.2.2.2 Taille des ouvertures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.2.2.3 Conseils supplémentaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.2.3 Conseils pratiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.2.3.1 Démarches à effectuer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.2.3.2 Compatibilité avec ventilation mécanique contrôlée (VMC) . . . . 82

3.3 Stratégies de refroidissement naturel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.3.1 Refroidissement par évaporation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

chapitre 4 : Éclairage naturel et intégration avec éclairage artificiel . . . . . . . . . . . . 894.1 Modèle ciel couvert de la Commission Internationale de l’éclairage. . . . . . . . . . . 894.2 Application au bâtiment : évaluation de l’angle de ciel visible et facteur

de lumière du jour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.3 Facteurs impactant le FLJmoy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.3.1 Réflexion des parois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.3.2 Choix du type de fenêtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.4 Méthodes d’amélioration de la répartition de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.4.1 Changer la disposition des fenêtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.4.2 Utiliser des étagères à lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.4.3 Autres éléments intégrés dans la structure du bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.5 Masques solaires et apports thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.5.1 Protections extérieures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.5.2 Protections intérieures et fenêtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

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4.6 Intégration avec la lumière artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.6.1 Choix des ampoules et luminaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.6.1.1 Ampoules à incandescence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.6.1.2 Les lampes halogènes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.6.1.3 Les tubes et lampes fluorescents et fluocompactes . . . . . . . . . . . 1064.6.1.4 Les lampes à LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.6.1.5 Luminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.6.2 Méthodes de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.6.3 Autonomie en lumière du jour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

chapitre 5 : Systèmes d’air conditionné et climatisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.1 Évaluation des besoins frigorifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.1.1 Climat local et interaction avec le bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.1.1.1 Analyse du climat et zone de confort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.1.1.2 Propriétés thermiques du bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.1.1.3 Orientationdeslocauxdubâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.1.2 Calcul des apports calorifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.1.2.1 Apports de chaleur extérieurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.1.3.2 Gains de chaleur internes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225.1.2.2 Charges thermiques totales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.1.3 Puissance du climatiseur et de déshumidification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1255.1.3.1 Puissance du climatiseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1255.1.3.2 Puissance de déshumidification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1255.1.3.3 Coefficient de sécurité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

5.2 Choix du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1265.2.1 Installations centralisées tout-air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

5.2.1.1 Système à débit d’air constant à un seul conduit . . . . . . . . . . . . 1265.2.1.2 Les systèmes à débit d’air constant, deux conduits . . . . . . . . . . . 1285.2.1.3 Unités de toitures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.2.1.4 Les installations tout-air à débit variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.2.2 Les systèmes centralisés à eau ou air-eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1305.2.2.1 Systèmes à ventilo-convecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1315.2.2.2 Systèmes à éjecto-convecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.2.2.3 Les poutres froides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1345.2.2.4 Les plafonds rayonnants froids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1345.2.2.5 Les planchers rafraîchissants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.2.3 Climatiseurs individuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.2.3.1 Principes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1365.2.3.2 Les condenseurs à air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1365.2.3.3 Les condenseurs à eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Table des matières

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5.2.3.4 Autres critères de sélection d’un climatiseur individuel : efficacité énergétique et acoustique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.2.3.5 Choix de la disposition dans le local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.3 Autres systèmes de refroidissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

5.3.1 Refroidissement des luminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1465.3.2 Stockagedefroid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.3.3 Refroidissement adiabatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.3.4 Climatisation solaire par absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

chapitre 6 : Énergies renouvelables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1516.1 Production d’eau chaude par panneau solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

6.1.1 Capteurs plan vitré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1526.1.2 Le capteur à tubes sous vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1536.1.3 Puissance utile et rendement des capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

6.2 Le photovoltaïque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1576.2.1 Principes et composants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1576.2.2 Efficacité du système. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1586.2.3 Conseils pour l’intégration dans un bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

6.3 Autres énergies renouvelables : éolien et biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1606.3.1 Énergie éolienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

6.3.1.1 Principes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1606.3.1.2 Conseils pour intégration au bâtiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6.3.2 Biomasse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

chapitre 7 : gestion de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1657.1 Réserver la consommation d’eau potable uniquement à l’alimentation . . . . . . . 1657.2 Installer dès la construction des technologies permettant une gestion efficace

des ressources en eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1677.3 Limiter le débit d’évacuation des pluies tropicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

conclusion du 1er tome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

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IntroductionEnjeux économiques, sociaux et environnementaux du bâtiment durable

Si le bâtiment durable fait l’objet d’une littérature abondante et peut s’appuyer sur des réglementations, des programmes de certifications spécifiques ou encore des

mesures de soutien facilitant son intégration dans un certain nombre de pays, la situa-tion dans les pays situés dans les zones tropicales et plus particulièrement dans les pays en développement et émergents, reste plus problématique. L’urbanisation massive et souvent informelle – couplée à des pratiques de conception et de construction peu adaptées à ces régions1 – a conduit à de nombreux déséquilibres aussi bien environne-mentaux (inefficacité énergétique des bâtiments, gaspillage de ressources…) qu’écono-miques et sociaux (multiplication des bidonvilles, accroissement des inégalités urbaines ). Ces impacts sur fond de crise climatique et de besoins en termes de développement, apparaissent insoutenables que ce soit au regard des objectifs du développement durable que de l’utilisation efficace des ressources naturelles ou de la qualité de vie des habitants.

Le Guide du bâtiment durable en régions tropicales a pour objectif d’apporter des éléments de réponse à ces probléma-tiques et de servir de référence aux profes-sionnels du secteur de la construction et plus généralement de l’environnement construit ainsi qu’aux institutions politiques des régions tropicales. Il s’inscrit comme une suite du rapport « Efficacité énergétique de la climatisation en milieu tropical » publié par l’Institut de l’Énergie et de l’Environne-ment de la Francophonie (IEPF, 2006), en s’attachant à élargir les problématiques traitées et à intégrer l’ensemble des perspectives énergétiques et environnementales.

Éléments de contexteLe bâtiment est au cœur de l’organisation économique et sociale de nos sociétés et il représente une source majeure de possibles impacts environnementaux, sociaux et éco-nomiques. Dans son cinquième volet sur les politiques d’atténuation du changement climatique, le Groupe Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) a estimé que le bâtiment était à l’origine de 32 % de la demande énergétique mondiale, dont

1.Joo-HwaBay,BoonLayOng,2006,p.22.

Photo : Burundi. Crédit : ENERGIES 2050.

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24 % pour le seul secteur domestique, et de 51 % de la demande en électricité2. Le secteur dans son ensemble consommerait annuellement plus de 3 milliards de tonnes de matières premières et 12 % de l’eau potable, tandis que la construction, la rénovation et la démolition généreraient plus de 40 % des déchets solides dans les pays développés3.

Les émissions de gaz à effet de serre (GES) du secteur du bâtiment étaient estimées en2010à9,18GtCO2e, soit environ un cinquième du total mondial tous secteurs confondus. Sous l’effet combiné de la croissance démographique et d’une urbanisation massive, ces émissions pourraient potentiellement doubler voire tripler d’ici 20504. La population mondiale serait alors d’environ 9 milliards d’habitants avec un taux d’urbains passant de 53 % aujourd’hui à plus de 80 %5. Ces chiffres traduisent une empreinte carbone et une contribution significative au changement climatique d’origine anthropique.

Les tropiques : une zone d’action prioritaireLes zones tropicales, où se trouve une grande majorité des pays en développement et des pays émergents, concentreront une part significative de ces évolutions avec, entre autres, un doublement de la population urbaine sur l’ensemble des pays concernés, qui passera de 2 à 4 milliards d’ici 20306. L’Amérique Centrale et les Caraïbes, une grande moitié Nord de l’Amérique du Sud, la majeure partie de l’Afrique subsaha-rienne et du sous-continent indien ainsi que l’ensemble du Sud-Est Asiatique figurent en zones tropicales.

S’il est difficile de généraliser la situation compte tenu des disparités régionales et intrarégionales, il est cependant possible d’affirmer que l’ensemble des zones concernées seront particulièrement vulnérables au regard des conséquences d’une mauvaise gestion de l’urbanisation sachant que les conséquences des réchauffements climatiques viendront exacerber des situations déjà fragiles :

• L’Asierassembledéjà12des21villesdeplusde10millionsd’habitantsetprésente les taux de croissance urbaine les plus élevés au monde. Sa population pourrait atteindre 2,6 milliards d’ici 2030 (contre 1,76 milliard en 20107).

• EnAfrique,UNHabitatprévoitundoublementdelapopulationetuntauxd’urbanisation supérieur à 50 % d’ici 2040, avec un nombre d’habitations domestiques urbaines pouvant tripler de 400 millions à 1,26 milliards d’ici 20508. Les défis sont

2.LuconO.etal.IPCC,2014. 3. Chiffres UNEP-SBCI 2010 et Roodman et Lenssen 1995, tirés de UNEP-SBCI 2012,

p. 2. 4.LuconO.etal.IPCC,2014,p.11. 5. UNEP-SBCI, 2012. 6. UNEP-SBCI, 2012. 7.UNHabitat2012a,p.1. 8. Laros M. et al., 2014, p. 23.

Introduction

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d’autant plus significatifs que 75 % des bâtiments qui seront présents à cette date en Afrique de l’Est n’ont pas encore été construits avec 80 % pour l’Afrique subsaharienne, contre seulement 30 % en Europe9.

• L’AmériqueCentrale,lesCaraïbesetl’AmériqueduSud,quiprésententdéjàdes taux de populations urbaines parmi les plus élevés au monde, avec 80 % sur l’ensemble de la zone, verraient cette proportion avoisiner les 90 % d’ici 205010.

Anticiper ces besoins en nouvelles infrastructures et répondre à la demande en ressources qui y sera inévitablement associée est un enjeu majeur pour des pays qui sont déjà confrontés à d’importantes difficultés, que ce soit en termes d’accès à l’énergie ou à des ressources naturelles essentielles. Les questions énergétiques sont centrales et les délestages peuvent être fréquents11 sans parler de la nécessité de fournir à chacun un accès à une énergie de qualité, abordable et durable. Certaines villes présentent des taux de consommation annuels d’eau équivalents à plus de 80 % de leurs ressources, ce qui estbienau-delàdes40%fixésparl’UNESCOcommeseuildedurabilité12.

La construction de nouveaux bâtiments à haute qualité environnementale et à haute performance énergétique en milieu tropical est donc un enjeu majeur aujourd’hui et sur le court, moyen et long terme. Les choix d’aujourd’hui impacteront les décennies à venir.

Cette réalité est aussi vraie pour la réhabilitation des bâtiments et infrastruc-tures existantes. Cela est d’autant plus important qu’il s’agit d’un secteur créateur de bénéfices potentiels – également consé-quents – qui vont au-delà des questions énergétiques et qui sont la qualité sanitaire du bâtiment ou encore les économies géné-rées sur la durée de vie du bâtiment.

L’application de standards inadaptés, souvent inspirés des normes occidentales qui ont été développées dans d’autres envi-ronnements socio-environnementaux cli-matiques13, s’est traduite par un usage intensif de la climatisation pour pallier les températures et les taux d’humidité élevés, ainsi que par une usure prématurée des matériaux.Dansunauditde42bâtimentsnondomestiquesàYaoundéetàDoualaau

9. Kitio V., 2013, p. 7. 10.UNHabitat,2012b,p.19. 11.M.Larosetal.,2014,p.170etUNHabitat,2012a,p.88. 12.UNHabitat2012a,p.11. 13.Joo-HwaBay,BoonLayOng,2006,p.22.

Photo : Togo. Crédit : ENERGIES 2050.

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Cameroun, Kemajou et al.14 ont ainsi pu observer certaines incohérences des construc-tions en milieu tropical : architecture moderne disposant de larges baies vitrées, peu isolantes, non protégées, et orientation du bâtiment favorisant les gains de chaleur.

De manière plus globale, l’inadéquation des politiques de la ville et la rapide urba-nisation des pays en développement (PED) des zones tropicales ont créé de nombreuses disparités sociales, notamment via la prolifération de bidonvilles et d’habitats informels où s’entassent les plus pauvres, généralement à la périphérie des villes. 800 millions au total manqueraient ainsi d’accès à une habitation décente, particulièrement en PED où un tiers de la population serait concernée15.

En Asie, plus de 40 % des ménages vivraient ainsi dans des conditions insalubres, avec une surexposition aux problèmes environnementaux et de santé, un manque d’accès aux services de base (eau potable, électricité, soins de santé…) et une dépendance aux énergies polluantes néfastes pour la santé telles que le charbon ou le gasoil16. 50 % des habitations informelles en Afrique dépendraient également de ces énergies, notamment pour cuisiner17, alors qu’1,3 milliard de personnes n’ont pas accès à l’électricité dans le monde18. La pénurie de logement concernerait par ailleurs plus de 50 % des ménages danscertainspaystelsqueleNicaraguaouleHonduras19.

Rationaliser dès à présent le secteur de l’environnement construit en s’appuyant sur des pratiques durables permettrait, sans aucun doute, de soulager un nombre signi-ficatif de contraintes. Une planification territoriale adaptée complétée par des bâtiments performants constitue un enjeu essentiel sachant que toute erreur d’aujourd’hui aura des conséquences sur des décennies compte tenu de la durée de vie d’un bâtiment ou d’un aménagement urbain.

Introduction au concept de bâtiment vert et de bâtiment durableL’objectif premier d’un bâtiment vert est de mettre en œuvre des stratégies intégrées permettant de limiter l’impact environnemental du bâtiment, notamment au travers d’une meilleure efficacité énergétique et d’une meilleure utilisation des ressources natu-relles tout en contribuant à un plus grand confort intérieur. Ces stratégies peuvent être qualifiées de passives dès lors qu’elles utilisent les spécificités du climat ou du terrain (pour l’éclairage ou la ventilation naturelle par exemple) ou actives à travers l’utilisation de technologies avancées utilisant des énergies renouvelables décentralisées ou des

14.KemajouA.,MbaL.,PakoMbouG.,2012. 15.LuconO.etal.,IPCC2014,p.11,tirédeUNHabitat2010. 16.UNHabitat,2012a,d’aprèsBanqueAsiatiquedeDéveloppement(ADB),2010. 17. M. Laros et al., 2014, p. 34. 18.LuconO.etal.IPCC2014,pp.4-17,tirédeIEA,2012etPachauryetal.,2012. 19.UNHabitat,2012b,Chapitre3.

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appareils électriques plus économes en énergie20. Une bonne conception cherchera cependant une synergie et une complémentarité de ces deux approches, avec différents éléments à prendre en considération sur l’ensemble du cycle de vie du bâtiment : orien-tation et architecture, utilisation de matériaux durables locaux, gestion optimale des déchets, intégration dans l’environnement, volume et protection des fenêtres, ventila-tion, architecture permettant l’utilisation d’énergies renouvelables, isolation, etc.

Selon le GIEC, le bâtiment présente les opportunités les plus intéressantes en termes d’atténuation des émissions de gaz à effet de serre, avec des réductions de 25 à 30 % de la demande énergétique avec des aménagements réalisables à coûts réduits voire négatifs, et des économies totales pouvant aller jusqu’à 90 % dans les nouveaux bâti-ments (comparé aux standards classiques) et 75 % pour les infrastructures existantes21. À noter que la notion de « coûts négatifs » signifie que certains investissements sont rentables immédiatement par opposition à des investissements qui généralement demandent plusieurs années avant d’être rentables.

En milieu tropical, des applications concrètes ont déjà démontré ce potentiel. Àtitred’exemple,le«LowEnergyOffice»,unbâtimentadministratifenMalaisie,aainsi atteint des économies de plus de 50 % au travers de mesures peu coûteuses telles qu’une meilleure orientation des fenêtres, elles-mêmes équipées de mécanismes d’ombrage automatiques, ainsi qu’une isolation accrue du toit22. Au Cameroun, sur les 42 bâtiments audités par Kemajou et al.23, des économies d’énergie de 30 % seraient réalisables avec un retour sur investissement inférieur à deux ans en agissant sur la demande d’air conditionné.

Les bâtiments verts pourraient, par ailleurs, permettre une réduction dans la production de déchets de 70 % et dans la consommation d’eau de 40 %24 par rapport aux standards de 2010. Combi-nées à des changements comportemen-taux, les synergies entre stratégies actives et passives pourraient ainsi contribuer à stabiliser les émissions de gaz à effet de serre du bâtiment à leur niveau actuel en 2050, soit une réduction annuelle de l’ordrede9à18GtCO2ecomparéauxprojections de base du GIEC25.

20. UNEP-SBCI 2012. 21.LuconO.etal.IPCC2014. 22.ChiffresAsiaBusinessCouncildisponiblesdansUNHabitat2012a,p.32. 23.KemajouA.,MbaL.,PakoMbouG.,2012. 24.McGraw-HillConstruction,2008. 25.LuconO.etal.IPCC2014,p.59.

Photo : Singapour. Crédit : ENERGIES 2050.

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Des avantages économiques et sociauxLe bâtiment durable reprend les objectifs initiaux du bâtiment vert en incluant égale-ment des perspectives plus globales, notamment économiques et sociales.

Un enjeu économique de taillePoussé par la rapide urbanisation des pays en développement et des pays émergents, le secteur du bâtiment représente un enjeu économique majeur. 4 700 milliards de dollars US seront nécessaires pour financer les nouvelles infrastructures liées au développement urbain annoncé en Asie, et 1 600 milliards supplémentaires pour la réhabilitation de celles déjà existantes26. Pour certaines nations d’Amérique Centrale et dans les Caraïbes, le secteur de la construction peut représenter jusqu’à 13 % du Produit Intérieur Brut27. Une bonne ou une mauvaise gestion de ce secteur aura donc d’importantes réper-cussions sur le développement économique de ces pays et sur leurs politiques de développement durable.

Une réduction des coûtsUn des avantages non négligeables de la construction durable est une baisse des coûts surl’ensembleducycledeviedubâtiment.SelonMcGraw-Hillconstruction,lescoûts de construction des bâtiments verts seraient ainsi réduits de 8 à 9 % pour un accroissement de la valeur du bâtiment de 7,5 %28. En dépensant moins dans l’énergie et l’entretien, les résidents réaliseront des économies significatives qui pourront être réinvesties dans d’autres dépenses. Il s’agit d’un point particulièrement important pour les logements sociaux et qui permettrait de diminuer les problèmes de pauvreté énergé-tique en diminuant le coût de fonctionnement d’un logement.

Pour finir, en adaptant la structure du bâtiment aux futurs impacts du change-ment climatique (par exemple aux risques d’inondations ou aux augmentations des températures), il est également possible d’accroître sa résilience et d’économiser sur les futurs coûts de réhabilitation ou de réparation des dégâts causés.

Effets sur l’emploiSelonl’UNEPouencorel’OfficeInternationalduTravail,lesecteurdelaconstructionreprésente déjà 5 à 10 % de l’emploi et 10 % du Produit Intérieur Brut au niveau mon-dial29. Même s’il est difficile de calculer l’effet net du bâtiment durable dans ce domaine, UNHabitatestimequechaquemilliondedollarsUSinvestitdanslesconstructionsvertes ou dans la réhabilitation en Asie créerait de 10 à 14 emplois directs, ainsi que

26.UNHabitat2012a,p.28. 27.UNHabitat,2012b,p47,chiffresCepalstat. 28.McGrawHillconstruction,viaUNEP-SBCI2012. 29.ChiffresUNEP/OITcitésdansUNEP-SBCI2012.

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de 3 à 4 emplois indirects30. Par ailleurs, selon la Confédération Syndicale Internatio-nale, une croissance des emplois verts, qui pourraient atteindre 100 millions dans le monde dans les 20 prochaines années, pourrait contribuer à diminuer la pauvreté et à accroître le bien-être social31.

Sécurité énergétiqueLa mise en place de programmes basés sur une urbanisation durable peut contribuer à réduire la contrainte énergétique des pays émergents ou en développement, souvent largement dépendants des énergies fossiles importées. Parmi les possibles bénéfices figurent un meilleur fonctionnement du réseau électrique grâce au développement des énergies décentralisées et à la réduction de la demande et des charges maximales, une plus grande diversité dans les sources d’énergies disponibles et une utilisation accrue des ressources domestiques32.

Santé, qualité de vie et productivitéLa meilleure qualité de l’air intérieur et le confort accru ont également un impact significatif sur les dépenses de santé, la qualité de vie et, d’une manière générale, la productivité des personnes. Cela concerne notamment les problèmes respiratoires ou les problématiques de stress auxquels sont particulièrement sensibles les populations les plus démunies. Les gains de productivité dans les bâtiments verts pourraient ainsi être de l’ordre de 1 à 9 % et la santé des résidents serait également améliorée par un meilleur accès aux énergies propres33.

Soutien à l’économie localeD’une manière générale, le bâtiment durable peut également permettre un plus grand soutien aux économies locales (utilisation de matériaux locaux, utilisation des compé-tences locales adaptées à l’environnement, etc.), une diminution des tensions sociales et une meilleure prise en considération de l’économie informelle, qui représente sou-vent un pan non négligeable de l’économie et de l’emploi34 dans les pays en développe-ment situés en milieu tropical. Le bâtiment

30.UNHabitat2012a,p.28. 31. Chiffres disponibles via UNEP-SBCI 2012 et Keivani et al., 2010. 32.LuconO.etal.,IPCC2014,Chapitre9. 33.LuconO.etal.,IPCC2014,Chapitre9. 34.UNEP-SBCI2012;UNHabitat2012a,etUNHabitat2012b.

Sainte Lucie. Crédit : ENERGIES 2050.

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peut également s’intégrer dans des plans d’urbanisation durables qui stimuleront davan-tage les investissements dans les infrastructures et les transports publics et favoriseront l’intégration sociale. Enfin, le logement social durable peut permettre une meilleure prise en compte de la pauvreté dans les politiques urbaines et limiter l’expansion des bidonvilles et des habitats insalubres informels. C’est notamment un des objectifs du programmeSUSHI(SustainableSocialHousingInititative)35 du Programme des Nation Unies pour l’Environnement.

Des barrières structurelles à dépasserSi les opportunités offertes par le bâtiment durable en zones tropicales sont majeures, de nombreuses barrières pourraient limiter l’efficacité des politiques mises en place. Le GIEC a identifié certaines de ces barrières, notamment le manque d’accès à l’infor-mation et le manque de connaissance des enjeux, le manque de capital et les coûts de transactions élevés, une régulation inexistante ou inappliquée, les aspects culturels, les barrières comportementales, la protection de la propriété intellectuelle sur les matériaux et les technologies innovantes ou encore la nécessité d’une coopération élevée entre tous les acteurs du bâtiment dans un secteur généralement très fragmenté36.

Dans les tropiques, le manque de fonds et de technologies nécessaires à la mise en œuvre de bâtiments verts, associé à un fort taux d’actualisation – c’est-à-dire une forte préférence pour le présent liée, par exemple, à l’inflation anticipée ou réelle qui dévalue la valeur perçue des économies réalisées dans le futur – et à un manque d’information et de qualifications, rend parfois difficile l’application des principes du bâtiment durable, y compris ceux qui seraient rentables à très court ou à moyen terme26. Un changement comportemental et du paradigme actuel régissant le secteur de la construction est nécessaire. Watson (2009)37 cite dans son étude des principes généraux tels que :

• Laréhabilitationdeshabitationsinformellesplutôtquelaconstructiondegratte-ciel ou de bâtiments « modernes » ;

• Lamiseenvaleurdesmarchéstraditionnelsplutôtquelaconstructiondecentres commerciaux particulièrement énergivores ;

• Desprogrammesvisantvéritablementlaluttecontrelapauvretéplutôtqueson exclusion hors des centres urbains pour préserver l’image de la ville.

De manière plus globale, les politiques d’urbanisation devront donc accorder une plus grande attention aux populations démunies et à la préservation du secteur économique informel.

L’urbanisation et la croissance démographique massives caractérisant les zones tropicales, ainsi que l’inadéquation des politiques urbaines actuelles et les difficultés

35. http://www.unep.org/sustainablesocialhousing/ (consultation novembre 2014). 36.LuconO.etal.,IPCC2014,Chapitre9. 37.Watson,2009,citédansUNHabitat2012a.

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également rencontrées par les pays en développement de ces zones en matière d’appro-visionnement énergétique et en ressources, font du bâtiment en zone tropicale un enjeu majeur de la lutte contre les conséquences des changements climatiques et de la promotion d’un développement soutenable.

Le Guide du bâtiment durable en régions tropicales s’inscrit dans une dyna-mique de changement et a vocation à apporter un soutien et une source d’information à l’attention des différents acteurs de la construction, qu’ils soient privés ou publics.

Si les tendances actuelles ne poussent pas à l’optimisme et ont conduit, au-delà d’impacts environnementaux lourds, à la prolifération des habitats informels et des bidonvilles ainsi qu’à un accroissement des inégalités, le bâtiment représente le secteur le plus prometteur en termes d’opportunités d’atténuation du changement climatique, de développement économique et de réduction des tensions sociales. Il offre également une précieuse contribution dans la prise en compte des enjeux de l’adaptation aux conséquences des changements climatiques tout en augmentant la résilience de l’envi-ronnement construit. Une bonne planification, anticipant les besoins considérables à venir, permettra d’éviter d’avoir à « compenser » demain et sur plusieurs décennies, les impacts néfastes d’infrastructures inadaptées.

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T O M E 1 : S T r a T É g I E S d E c O n c E P T I O n d E S n O u v E a u x b  T I M E n T S E n r É g I O n S T r O P I c a l E S

Chapitre 1Climat et diagrammes bioclimatiques

L’objectif de ce premier chapitre est de présenter les différents outils d’analyse des paramètres climatiques locaux dans le cadre de la conception du bâtiment, ainsi

que leurs implications en termes de confort hygrothermique.

1.1 Les climats tropicaux : principales caractéristiques et zones géographiques

Les climats tropicaux englobent une zone géographique assez vaste qui s’étend du tro-pique du cancer à celui du capricorne, soit à 14° de latitude Nord et Sud autour de l’Équateur.Yfigurent,notamment,l’ensembledesCaraïbesetdel’AmériqueCentrale,une large moitié Nord de l’Australie et de l’Amérique du Sud ainsi que la majeure partie de l’Afrique subsaharienne, du sous-continent indien et de l’Asie du Sud-Est.

Deux critères principaux caractérisent un climat tropical, selon la classification du météorologueKöppen:lesprécipitations,avecunclimatnonaride,etlestempératuresavec des moyennes mensuelles devant dépasser les 18°C. Derrière cette classification,

Illustration 1.1 : carte des zones tropicales

Source : Institut d’Architecture Avancée de Catalogne (consultation du site novembre 2014).

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3 sous-types de climats tropicaux peuvent néanmoins être distingués en fonction des précipitations : climats équatoriaux, climats humides et secs (savane), et climats de mousson1.

Illustration 1.2 : classification des climats selon la classification Köppen-geiger mise à jour

Source:KottekM.etal.,2006.

1.1.1 Climats équatoriaux (Af sur la carte)Ceux-ci sont généralement situés entre 5 et 10 degrés de latitude autour de l’Équateur et sont notamment caractérisés par de fortes températures (25 à 27°C) et des précipi-tations continues tout au long de l’année. Celles-ci descendent rarement en deçà de 60 mm par mois et sont supérieures à 2 000 mm sur l’année. Parmi les zones concernées figurent notamment une partie de la côte pacifique de l’Amérique Centrale et les Caraïbes, le bassin de l’Amazone, une partie du Brésil, de la Colombie, le bassin du Congo et la côte Est de Madagascar en Afrique et l’archipel Malais, Bornéo, la Nouvelle Guinée ou encore l’Indonésie et les Philippines en Asie.

1.1.2 Climats humides et secs (As et Aw)Les climats tropicaux humides et secs ont deux saisons distinctes (sèche et humide) arrivant à intervalles réguliers, avec des variations de températures modérées tout au long de l’année. Les précipitations restent inférieures à 60 mm par mois et en deçà

1.KottekM.etal.,2006.

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des 1 000 mm par an. Les climats humides et secs se retrouvent sur une grande partie de l’Amérique du Sud, au cœur du continent Africain, sur une partie Nord de l’Australie ainsi qu’au Sud de l’Asie.

1.1.3 Climats de moussons (Am)Le climat de mousson est influencé par un système de vents saisonniers qui soufflent alternativement (par périodes de 6 mois) de la mer vers le continent ou du continent verslamer.Dansl’Ouestdusous-continentindienparexemple,lamoussond’étéestcaractériséeparunefortehumidité/précipitationprovenantdel’OcéanIndien,avecorages violents, alors que la mousson d’hiver (vents du Nord-Est) s’accompagne d’un temps froid et sec. Le volume des précipitations atteint régulièrement plus de 1 000 mm sur deux mois consécutifs durant l’été suivi d’une saison plus ou moins sèche en fonction des régions. Ces climats concernent également une partie de l’Afrique Centrale et du Nord de l’Amérique du Sud.

Un bâtiment durable doit pouvoir s’adapter au mieux à ces climats, avec une architecture et des normes différenciées et distinctes des pratiques observées dans d’autres régions, en particulier celles des climats tempérés. Dans ce guide, nous ferons principalement la distinction entre climat tropical humide (climats équatoriaux notam-ment) et climat tropical sec, même s’il conviendra d’adapter les conseils en fonction, par exemple, de l’altitude (climats plus frais voire froids).

1.2 Les principaux paramètres climatiques à prendre en compte lors de la conception d’un bâtiment

Cinq paramètres climatiques doivent faire l’objet d’une attention particulière lors de la conception d’un bâtiment :

• lestempératuresextérieures,• l’humidité,• l’ensoleillement,• lacoursedusoleil,• lesvents.Ces paramètres sont, en outre, influencés par un ensemble de variables comme la

topographie ou les activités urbaines, ces paramètres peuvent néanmoins varier à une échelle très réduite, parfois inférieure à une centaine de mètres (microclimats).

1.2.1 Les températures extérieuresLes zones tropicales sont souvent caractérisées par des températures extérieures élevées en journée impactant le confort interne des bâtiments et pouvant conduire, de fait, à un usage intensif des systèmes d’air conditionné. Les variations de températures

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sont également à considérer et à anticiper afin d’adapter l’inertie thermique du bâti-ment aux conditions locales. Nous reviendrons sur ces différents points plus tard dans cet ouvrage.

Les données sur les températures, telles que les valeurs maximales, minimales ou encore les moyennes sur une période définie (jour, mois, année), sont généralement bien documentées et accessibles. Toutefois, au-delà de ces données, un certain nombre de paramètres, qui influent sur le niveau des températures à une échelle locale, seront à considérer.

TopographieLa topographie, et plus particulièrement l’altitude, peut avoir un impact important sur les températures, la pression atmosphérique ou encore l’humidité absolue de l’air. Chaque élévation du terrain de 100 mètres s’accompagne en moyenne d’un décroisse-ment proportionnel des températures de 1°C, selon la BBC (British Broadcasting Corporation)2. Lors des nuits plus fraîches en altitude, un refroidissement du sol peut également amener l’apparition d’une couche d’air froid au ras de la surface. Celle-ci redescend en aval et est collectée au pied des vallées ou des montagnes, mais également au sein de dépressions du sol, créant des lacs ou des blocages d’air froid.

UrbanisationLes températures peuvent également varier en fonction de l’environnement immédiat du site et notamment de la densité urbaine. Cette densité crée des îlots de chaleur urbains plus ou moins élevés selon la morphologie du territoire et les matériaux utilisés. Sont ici en cause l’effet d’activités humaines plus concentrées et productrices de chaleur (par exemple industries, transports), une plus grande absorption des radiations solaires (effet albédo, par exemple lié aux revêtements des voies en goudron noir) et des blocages à la circulation de l’air et aux vents.

Illustration 1.3 : Représentation de l’îlot de chaleur parisien

Source : Descartes, 2009.

2. BBC (British Broadcasting Corporation) (consultation du site novembre 2014).

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Effet d’albédo et caractéristiques des solsD’une manière plus générale, la composition des sols et leurs propriétés plus ou moins réflectives auront également une influence, notamment via l’interaction entre tempé-ratures du sol et températures de l’air. Ces gains de chaleur peuvent être atténués via l’utilisation de matériaux à fort coefficient de réflexion ou en utilisant des protections naturelles telles que la végétation.

1.2.2 L’humidité relativeL’humidité influence le confort interne d’un bâtiment et l’utilisation des systèmes d’air conditionné, particulièrement en milieu tropical humide et d’autant plus lorsqu’elle n’a pas été prise en considération dès la conception du bâtiment. L’humidité relative se définit comme le ratio de la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air rapportée à la valeur maximum d’humidité contenue avant que ne démarre le processus de conden-sation, et est exprimée en pourcentage. Ce ratio varie généralement en fonction inverse des températures, avec un accroissement durant la nuit et un décroissement lorsque les températures augmentent en journée.

Tout comme les températures, l’humidité relative est le résultat d’interactions complexes et dépend non seulement du climat mais aussi :

• de l’environnement : la présence de végétation et de points d’eau (océans, mers, lacs, rivières) accroît l’humidité, respectivement au travers des processus d’éva-potranspiration et d’évaporation. L’humidité est donc généralement moins forte en zone urbaine dense, de 6 % en moyenne3.

• de la topographie : les températures moins élevées sur les versants ombragés des montagnes ou au bas d’une vallée conditionnent généralement une humidité relative plus élevée.

1.2.3 L’influence du soleilLe soleil peut avoir de nombreux effets sur un bâtiment, son confort interne et sa consommation énergétique. Afin de prédire au mieux son impact et de l’intégrer dans la conception du bâtiment, trois données doivent être considérées :

• La position du soleil dans le ciel et l’angle qu’il crée avec les surfacesdu bâtiment ;

• Laquantitéd’énergieradiantereçueauniveaudusoletdesautressurfaces;• Lesobstructionset les réflexionspouvantêtrecauséespar lesnuages, la

topographie et l’environnement immédiat, notamment l’urbanisation4.

3. Waugh D., 2000, p. 242. 4. McMullan R., 2007, p. 285.

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Si la trajectoire du soleil à travers le ciel, et donc son angle d’incidence par rapport aux surfaces du bâtiment, est sans cesse changeante, celle-ci peut néanmoins être prédite avec précision grâce à la géométrie et à l’utilisation de diagrammes solaires.

Encadré 1.1 : Le diagramme solaire

Les diagrammes solaires sont utilisés pour prédire la trajectoire du soleil tout au long de l’année en fonction d’une position géographique spé­cifique. Dans le cadre de la conception du bâtiment, cela permet d’anticiper l’angle d’incidence du soleil avec les différentes parois et son exposition à la lumière naturelle et aux radiations. Les cercles concentriques représentent la hauteur du soleil (en degrés par rapport au plan) ; sur le cercle périphérique est reporté l’azimut et la trajectoire du soleil est indiquée pour différentes dates et à différentes heures de la journée.

Illustration 1.4 : Diagramme solaire, Perth, australie

Source : http://wiki.naturalfrequency.com (consultation novembre 2014).

Dans l’exemple ci­dessus, il est ainsi possible de constater, en plaçant le bâtiment au centre du diagramme, que le soleil aura une trajectoire Nord­Est/Nord­Ouest avec un angle d’incidence maximum de 35° par rapport à une surface plane en juin (hiver austral), contre plus de 80° (légèrement Nord, avec une trajectoire Sud­Est/Sud­Ouest) en été. Les parois sud seront protégées des rayonnements directs du soleil tout au long de l’année, alors que celles à l’Est, à l’Ouest et au Nord ainsi que les toits seront les plus exposés.

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La prise en compte de la trajectoire du soleil dans la conception du bâtiment est une donnée importante notamment pour limiter les gains d’énergie solaire, assurer le confort (y compris visuel) des occupants tout au long de la journée et de l’année, ou encore pour l’installation de technologies d’énergies renouvelables de type photovoltaïque.

Contrairement aux latitudes éloignées de l’Équateur, les variations de trajectoires solaires sont relativement limitées en milieu tropical, avec une altitude du soleil supé-rieure à 30° environ 75 % du temps.

Illustration 1.5 : Trajectoire du soleil à l’Équateur

Source : http://wiki.naturalfrequency.com (consultation novembre 2014).

LesfaçadesEstetOuestainsiquelestoits(anglede70°minimumenmilieudejournée) seront ici les surfaces les plus exposées aux rayonnements solaires.5

1.2.4 Radiations solairesDirectement influencées par la position du soleil dans le ciel, et quatrième paramètre climatique à considérer lors de la conception du bâtiment, les radiations solaires peuvent varier en fonction des climats mais aussi des conditions topographiques, géo-graphiques et atmosphériques, et du temps (saison, heure). Le soleil émet des radiations dont l’intensité atteignant une surface peut être mesurée en Watt par m², un Watt étant égal à 1 Joule par seconde. L’intensité des radiations solaires correspond donc à une mesure directe de l’énergie solaire reçue chaque seconde par m² de la surface considérée. Au sein d’un même climat, différents facteurs vont impacter l’ampleur des radiations :

5. Pour obtenir un diagramme solaire de votre localisation, visitez www.gaisma.com (consultation novembre 2014).

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TopographieÀ une altitude élevée, la distance parcourue par les rayons du soleil dans l’atmosphère est réduite et les radiations solaires augmentent. Les obstructions naturelles telles que les montagnes ou les collines, mais également la végétation ou les infrastructures urbaines, peuvent également avoir une influence, y compris via la formation de nuages au sommet des montagnes ou sur le versant des collines.

Composition atmosphériqueLa composition atmosphérique joue un rôle assez similaire aux nuages : le montant de particules (incluant pollution urbaine) et de vapeur d’eau présents dans l’atmosphère atténue les radiations solaires et les rend plus diffuses.

Zones côtièresLe montant des radiations peut également varier en fonction des vents marins qui amènent souvent la formation de nuages vers l’intérieur des côtes. Les zones côtières ont également une turbidité plus élevée à cause de la présence d’aérosols et de sels qui impacte le volume de radiations directes. Les vents marins peuvent enfin avoir un effet inverse en diminuant l’effet convectif des nuages et donc en accroissant le montant de radiation solaire reçu.

1.2.5 Les ventsLes vents peuvent avoir un impact sur le bâtiment, notamment en termes de pertes thermiques et de pénétration des eaux de pluie. Les vents sont une circulation d’air provoquée par les différences de pression atmosphérique liées aux gradients de tempé-ratures des sols, de l’air ou des eaux qui se produisent à des niveaux régionaux ou locaux. Ils sont généralement caractérisés par différents paramètres, notamment vitesse, direction et fréquence, qui peuvent être représentés graphiquement dans une rose des vents. Cet outil montre la fréquence des vents au travers de rayons plus ou moins longs s’étendant vers les points cardinaux correspondants à leurs directions spécifiques6.

6. Les directions des vents à un site donné (généralement mesurées à 10 m de hauteur à l’aéroport le plus proche) peuvent dans la plupart des cas être obtenues via des sites météorologiques. Il suffit ensuite de l’appliquer graphiquement sur une rose des vents.

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Illustration 1.6 : Exemple de rose des vents (Oregon, uSa)

Source : ENERGIES 2050, d’après le Gouvernement du New Jersey, US Geological Survey (consultation du site novembre 2014).

Vents locauxAu-delà de la circulation d’air au niveau régional, des vents locaux peuvent se produire sous l’effet de gradients de pressions créés par des environnements divergents d’un point de vue thermique. Dans certains cas, comme les vents de mer, de lacs ou de montagnes et de vallées en été, ces mouvements d’air peuvent être anticipés.

• vents de côtes : La terre ayant une capacité thermique spécifique supérieure à celle de la mer, elle s’échauffe plus rapidement sous l’effet du soleil. À mesure que l’air chaud au-dessus du sol s’élève, une zone de basse pression au niveau du sol se crée, dans laquelle vient s’engouffrer l’air marin (brise de mer). L’inverse se produit durant la nuit (brise de terre), avec des vents soufflant de la terre vers la mer.

• vents de montagne : Les montagnes peuvent avoir un impact similaire, agis-sant également comme une barrière naturelle et influant sur les vents notamment via l’onde orographique7. Un vent ascensionnel le long du relief peut également avoir lieu sous l’effet de la circulation d’air causée par la différence de température entre les masses d’air réchauffées sur les versants ensoleillés des vallées et celles de la vallée elle-même (vent anabatique), l’inverse arrivant généralement la nuit (vent catabatique). Des vents chauds et secs descendant des versants lumineux des montagnes peuvent également apparaître après qu’ils ont déchargé leur humidité sur les versants opposés (effet de Foehn)8.

7. L’onde orographique se produit lorsque le déplacement d’une masse d’air au-dessus d’un relief montagneux est forcé en altitude.

8. Plus d’explications disponibles sur http://www.espace-sciences.org/archives/science/ 13057-comment-ca-marche-f63a.html (consultation novembre 2014).

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Les vents peuvent également varier en fonction uniquement de l’altitude. L’équa-tion suivante est généralement utilisée pour calculer la vitesse des vents à différentes hauteurs :

(1) VzV10=KZaOù,• Vz = vitesseduventàaltitudeZ(m),enkm/h;• V10 = vitesse du vent à altitude de 10 mètres (standard des stations météo),

enkm/h;et• Keta étant des coefficients variant en fonction du terrain (sans dimensions)9.

Rugosité et végétationSur terrain plat et sans obstruction, la vitesse des vents varie en fonction de la rugosité, particulièrement celle dite « molle » (forêts, savanes), de sa surface et de sa hauteur : une rugosité plus importante a un effet ralentissant, tandis qu’une désertification a l’effet inverse. L’urbanisation agit également comme une obstruction superficielle dont il faudra tenir compte, notamment pour des stratégies de ventilation passive.

1.2.6 Rapide revue de l’impact des différents climatsUne bonne conception du bâtiment va donc devoir intégrer ces différents paramètres afin de limiter la consommation énergétique et de garantir la qualité de confort inté-rieur. À titre d’exemple, dans les milieux tropicaux équatoriaux où l’humidité et la chaleur sont importantes, on privilégiera une orientation Nord-Sud du bâtiment, une protection contre les radiations et une maximisation du potentiel de ventilation natu-relle avec des matériaux légers. La stratégie sera différente dans les climats tropicaux chauds et secs où l’amplitude des températures journalières (nuits froides) est plus importante et une inertie plus élevée du bâtiment sera donc recommandée. Les pro-chaines sections de ce guide reprennent les principes des différentes stratégies à adopter (cf. chapitres 2 et 3).

1.3 Climat et confort : les diagrammes bioclimatiques

Les diagrammes bioclimatiques sont des outils d’analyse permettant de mieux définir les stratégies à adopter dans la conception du bâtiment, en fonction du climat local et du confort hygrothermique de ses occupants.

9. Pour plus de détails sur l’estimation de ces coefficients, visiter http://www.freelem.com/eurocode/eurocode1/vent.htm (consultation novembre 2014).

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1.3.1 Diagramme de OlgyayDanslesannées1950,unarchitectehongrois,VictorOlgyay,constatantl’influencedesconditions climatiques extérieures sur le confort d’un bâtiment, développa un outil d’aide à la décision appelé diagramme bioclimatique.

Illustration 1.7 : Diagramme de Olgyay

Source:ENERGIES2050d’aprèsOlgyay,V.,1963.

Dans ce graphique sont mis en relation températures (axe des ordonnées) et taux d’humidité relative (abscisses). Au centre figure une zone de confort correspondant à des températures extérieures variant de 20 à 30°C et à des taux d’humidité extérieure situés entre 18 % et 75 %. Cela permet ainsi d’analyser graphiquement les conditions climatiques locales et de définir en conséquence la stratégie à privilégier dans la concep-tion du bâtiment.

Il convient de souligner que la notion de confort reste cependant subjective et dépend non seulement de paramètres climatiques mais également de facteurs physiolo-giques et psychologiques (voir chapitre 2). La zone de confort peut ainsi se définir comme un ensemble de conditions climatiques intérieures dans lesquelles une majorité de personnes va pouvoir expérimenter un confort thermique10. D’autre part, en ne prenant en compte que des facteurs climatiques extérieurs, cet outil néglige certains paramètres physiologiques des espaces intérieurs et trouve donc essentiellement son application dans les climats chauds et humides11, où les études montrent des variations climatiques plus modérées entre intérieur et extérieur12.

10.VisitsakS.,2007,p.42. 11.Sayigh,A.etA.H.Marafia,1998. 12. Gallo C. et al., p. 10.

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1.3.2 Diagramme de GivoniEn 1969, Baruch Givoni, un architecte israélien, publie un outil similaire qui établit une relation linéaire entre l’amplitude des températures intérieures (basées sur des stan-dards ou des calculs thermiques) et l’humidité absolue.

Illustration 1.8 : Diagramme de givoni

Source : ENERGIES 2050, d’après Université Sultan Qaboos, 2010, via N. Al-Azri et al., 2012.

Autour de la zone de confort thermique (CZ) sont définis quatre domaines de stratégiespassives:ventilationnaturelle(NV),inertiethermique(HM),inertiether-miqueetventilationnocturne(HMV)etrefroidissementparévaporation(EC).

L’utilisation de cet outil est basée sur deux relevés :• lamoyennemensuelledestempératuresmaximalesjournalières(abscisse)

rapportée à celle des taux d’humidité absolue minimums journaliers (ordonnée), et, inversement,

• lamoyennedestempératuresminimalesjournalièresrapportéeàcelledestauxd’humidité absolue maximums.

En reliant ainsi les deux points obtenus, on obtient un tracé qui, en fonction de son positionnement par rapport aux cinq zones précitées, permet de définir des objectifs stratégiques sur le mois étudié.

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Encadré 1.2 : Utilisation du diagramme de Givoni à Ouagadougou, Burkina Faso

Une illustration pratique du diagramme de Givoni peut être trouvée ci­dessous pour la ville de Ouagadougou au Burkina Faso. Chaque mois est ici représenté par un numéro correspondant à sa position dans le calendrier (exemple 1=janvier et 12=décembre).

Illustration 1.9 : Diagramme de givoni, Ouagadougou, burkina Faso

Source:CoulibalyY.etal.,1998.

Plusieurs constats peuvent ainsi être établis :

• Lesmoisdenovembre(11)àmars(3)sontcaractériséspardefortesamplitudes de températures. Une inertie thermique assez élevée du bâtiment permettra un meilleur contrôle de l’ambiance intérieure ;

• Lestempératuressontengénéralau-delàdelazonedeconfortetdoivent donc être compensées par un refroidissement naturel, ou dans les cas de fortes chaleurs (notamment pics en mars, avril, mai), par l’utilisation de systèmes d’air conditionné ;

• L’humiditén’estpasexcessiveetpourraêtrecontrôléesinécessairevia l’utilisation d’un système de ventilation naturelle pour la période allant de mai à octobre.

Source : Coulibaly Y. et al., 1998.

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1.3.3 Diagramme de Givoni et MilneLe diagramme bioclimatique le plus utilisé aujourd’hui reste cependant celui établi par Givoni et Milne en 1979. Celui-ci redéfinit les différentes stratégies et fait apparaître graphiquement l’humidité relative et la température humide. Les relevés climatiques à utiliser sont ici plus ponctuels et peuvent inclure des données horaires.

Illustration 1.10 : Diagramme de givoni et Milne

Source : ENERGIES 2050, d’après Milne M. et Givoni B., 1979.

Sur ce diagramme figurent ainsi plusieurs zones spécifiques notamment :• Zonedeconfort;• Zonedeventilationnaturelle;• Zonederefroidissementparévaporation;• Zonederefroidissementenutilisantl’inertiethermique;• Zonederefroidissementparairconditionné;• Zoned’humidification;• Zonesdechauffage.

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Encadré 1.3 : Utilisation du diagramme de Givoni et Milne

Illustration 1.11 : Diagramme bioclimatique pour austin, Texas (uSa)

Source : ENERGIES 2050, d’après Lake|Flato Architects – Climate Consultant software, via site web de l’Institut Américain des Architectes (consultation du site novembre 2014).

Ici l’air conditionné et le chauffage artificiel seront nécessaires dans 32,5 et 25,2 % des cas, respectivement, pour maintenir les conditions de confort intérieur. Dû à une humidité relativement élevée lors des périodes chaudes, la ventilation naturelle sera préférable à une stratégie de refroidissement basée sur l’inertie thermique. La conception des bâtiments devra également intégrer des masques et protections solaires (25,1 % des cas).

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1.3.4 Adaptation du diagramme bioclimatique aux climats chauds

Les recherches de Givoni l’ont par ailleurs conduit à élargir la zone de confort pour les pays en développement situés dans des climats chauds, où les populations s’acclimatent mieux à la chaleur et où une température plus élevée peut être compensée par une ventilation naturelle accrue13. Cet élargissement répond également à une contrainte énergétique plus élevée dans les pays en développement.

Illustration 1.12 : adaptation de la zone de confort aux pays en développement situés en climats chauds

Source : ENERGIES 2050 d’après Givoni B., 1998.

Certains courants en architecture soutiennent finalement une extension du seuil de température d’inconfort à 30-32°C, afin d’accroître la marge pour la mise en place d’une stratégie bioclimatique passive14.

13. La Roche P.M, 2011, p. 110, d’après Givoni B., 1998.14. Solener, ADEME, 2014.

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Référencesal-azri n. et al., 2012. Development of bioclimatic chart for passive building design in

Muscat-Oman, Département d’ingénierie mécanique et industrielle, Université Sultan Qaboos, Muscat, Oman, disponible via http://www.icrepq.com/icrepq’12/841-al-azri.pdf

coulibaly Y., Thiombiano g., Traore M.Y., 1998. Climat et confort thermique, Sud sciences et technologies n° 2, disponible via http://documents.irevues.inist.fr/bits-tream/handle/2042/36319/sst6_22.pdf?sequence=1.

Descartes, 2009. Consultation Internationale de recherche et de développement sur le grand pari de l’agglomération parisienne – Le grand pari de l’agglomération pari-sienne, livret chantiers 1 et 2, fév. 2009.

gallo c., Salo M. et Sayigh a.M.M., 1999. Architecture, comfort and Energy, Elsevier ScienceLtd.,Oxford,UK.

givoni b., 1998. Climate Considerations in Building and Urban Design, John Wiley and Sons.

Kottek M. et al., 2006. World Map of the Köppen-Geiger climate classification updated, Meteorologische Zeitschrift, Vol. 15 n° 3, disponible via http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/pdf/Paper_2006.pdf.

la Roche P.M., 2011. Carbon neutral architectural design, CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca-Raton, Florida, USA.

McMullan R., 2007. Environmental Science in Building, sixth edition, Palgrave Macmillan, London, UK.

Milne M. et givoni b., 1979. Energy Conservation through Building Design, D. Watson (Ed.),NewYork,McGrawHill,96-113.

Olgyay, v., 1963. Design with Climate, Bioclimatic Approach and Architectural Regiona-lism, New Jersey : Princeton University Press.

Sayigh, a. et a. H. Marafia, 1998, Thermal comfort and the development of bioclimatic concept in building design. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2 : 3-24.

Solener, aDEME, 2014. Guide climatisation tertiaire en Guyane, ADEME Guyane (version d’octobre 2013).

visitsak S., 2007, An evaluation of the bioclimatic chart for choosing design strategies for a thermostatically-controlled residence in selected climates, dissertation submitted to the Office of Graduate Studies of Texas A&M University as part of a doctorate of philoso-phy, disponible via http://esl.tamu.edu/docs/publications/thesis_dissertations/ESL-TH-07-08-01.pdf.

Waugh D. et Thornes n., 2000. Geography, an integrated approach. Nelson Thomas, Cheltenham, Royaume-Uni.

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Sites internet (dernière consultation en novembre 2014) et sources additionnelles des illustrationsbbc (British Broadcasting Corporation) : www.bbc.co.ukEspace sciences : http://www.espace-sciences.org/archives/science/13057-comment-

ca-marche-f63a.htmlFreelem : http://www.freelem.com/eurocode/eurocode1/vent.htmgouvernement du new Jersey, uS geological Survey : http://nj.usgs.gov/grapher/

tutorial/examples.htmlInstitut d’architecture avancée de catalogne : http://www.iaacblog.comSMF-Météo climat : http://meteoetclimat.frlake|Flato architects – climate consultant software via site de l’Institut américain

des architectes : http://www.aiatopten.orguniversité de californie, los angeles (ucla) – Energy design tools : http://www.

energy-design-tools.aud.ucla.edu/papers/ASES09-Yasmin.pdfWiki.naturalfrequency.com : http://wiki.naturalfrequency.com

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Chapitre 2Stratégies passives dans le bâtiment, bases et concepts

L’objectif d’une conception passive est d’exploiter différents gisements naturels dis-ponibles afin d’obtenir un meilleur confort pour les occupants du bâtiment tout en

réduisant les besoins énergétiques futurs. La sobriété énergétique constitue donc ici la priorité, devant l’efficacité énergétique et l’adoption d’énergies renouvelables1.

Dans un environnement tropical où les températures et l’humidité sont élevées, cette stratégie devra s’articuler autour de plusieurs piliers, dont les principaux sont :

• Limiterlesapportsdechaleur;• Favoriserlaventilationnaturelle;• Exploiterlespossibilitésd’utilisationdel’éclairagenaturel;• Respecterleslimitesdeconfortinternedubâtiment.Dans les climats tropicaux secs, la ventilation naturelle sera limitée ou utilisée en

combinaison avec une inertie thermique plus élevée ainsi que des techniques de refroi-dissement par évaporation.

L’une des difficultés principales réside cependant dans l’équilibrage des différentes influences du climat sur le confort thermique et visuel du bâtiment, résumées par le tableau ci-après.

2.1 Notions de confort des occupantsLe confort des occupants peut être divisé en quatre sections : confort hygrométrique, olfactif (qualité et vitesse de circulation de l’air), visuel et acoustique.

2.1.1 Notions de confort hygrothermiqueLe confort hygrothermique peut être défini comme un état d’équilibre dans lequel un individu se satisfait de l’environnement thermique qui l’entoure, avec une température du corps maintenue autour de 37°C. Cet état d’équilibre dynamique dépendra des échanges thermiques entre le corps et son environnement, notamment conditionnés par :

• lemétabolismeetlaproductiondechaleurducorpshumain(fonctionégalementde l’activité), qui se fera par rayonnement, convection, conduction et transpiration ;

1. Site www.negawatt.org (consultation novembre 2014)

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Tableau 2.1 : avantages et désavantages des influences climatiques sur le bâtiment en milieu tropical• l’habillementdel’individu;• latempératureambiantedel’air;• latempératuredesparois;• l’humiditérelativedel’air;et• lavitessedel’airquiinfluenceleséchangesthermiquesparconvection.2

Paramètre climatique avantages potentiels Inconvénients potentiels

Rayonnements solaires – confort visuel

Potentiel pour éclairage naturel Luminosité trop importante/ risque d’éblouissement

Radiations solaires – confort thermique

Apport de chaleur si nécessaire, énergies renouvelables

Apport de chaleur excessif

Températures de l’air Réduction des besoins en stratégie passive si proches des températures de la zone de confort

Températures excessives : peuvent résulter en un besoin élevé en air conditionné

Vents Utilisation pour ventilation et refroidissement passifs

Transferts thermiques et vitesse de circulation de l’air excessive, variations naturelles difficiles à anticiper

Humidité Nécessite une plus grande utilisation de la ventilation et du refroidissement passifs ou actifs si élevée

Précipitation Provision d’eau pour végétation ou toits verts

Écoulement des eaux à considérer dans la conception

Encadré 2.1 : Adaptation et confort hygrométrique

À ambiance intérieure égale, un meilleur confort hygrométrique peut être obtenu via :

• une adaptation des activités (par exemple horaires de travail ou activités physiques) aux contraintes du climat ;

• une adaptation des tenues vestimentaires (vêtements chauds enambiance froide et inversement) ;

• l’adaptationphysiologique(mécanismesd’autorégulationducorps)des occupants.

2. Gratia E., Université catholique de Louvain (consultation du site novembre 2014).

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Comme évoqué dans le chapitre précédent (cf. Partie 1.3 – Climat et confort) une des réponses apportées à cette problématique est la définition d’une zone de confort qui satisfait une majorité d’occupants : les travaux de Givoni et Milne3 proposent ainsi, pour les régions tropicales, des températures variant de 20 à 28°C et une humidité relative comprise entre 20 et 80 %. Afin d’atteindre cette cible, une bonne concep-tion du bâtiment visera notamment à limiter les apports de chaleur et d’humidité en climat tropical humide, et les apports thermiques et fluctuations de températures trop importantes en climat tropical sec.

Il est également possible d’utiliser, en complément à ces diagrammes, le modèle de Fanger (modèle statique). Ce modèle établit une relation entre la valeur moyenne prédite (PMV : Predicted Mean Vote) de perception thermique de l’ambiance, jugée par un groupe de personnes sur une échelle allant de –3 (très froid) à +3 (très chaud), 0 étant la valeur neutre, et le pourcentage de personnes qui ne seront pas satisfaites (PPD : Percentage Predicted of Dissatisfied)4 par cette ambiance d’un point de vue du confort.

Illustration 2.1 : Relation entre PPD et PMv

Source : http://www.deparisnet.be/ (consultation novembre 2014).

2.1.2 Confort olfactif et renouvellement d’airAu-delà des températures et de l’humidité, un autre facteur pouvant affecter la sensa-tion de confort est la vitesse de circulation de l’air, qui agit notamment sur la régula-tion des flux de chaleur entre le corps et le milieu ambiant. Un individu commence à

3. Disponible notamment via GRET, 1986. 4.Pourplusdedétailssurleséquationsdumodèle,voirnotammentFangerP.O.1967.

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ressentir cette circulation d’air à partir de 0,2m/s (mètre par seconde) et est en inconfort absolu pour des valeurs supérieures à 5m/s. La vitesse préconisée du point de vue du confort est autour de 1,5m/s.5

Le renouvellement de l’air intérieur permet notamment de maintenir sa qualité et d’extraire les polluants tels que les odeurs, les micro-organismes ou la vapeur d’eau. Il est, par exemple, recommandé de maintenir un taux d’oxygène à 20,7 % et un taux de gaz carbonique à 0,03 % dans l’air6. Une moyenne de renouvellement équivalente à 15 ou 25m3 par heure et par personne est généralement appliquée, mais les normes peuvent varier selon les situations et en fonction des impératifs d’économies d’énergie7. À la Réunion, la réglementation sur la qualité de l’air intérieur impose par exemple un renouvellement équivalent à 15 ou 18m3 par personne et par heure pour des salles de classe et des bibliothèques8. Le tableau suivant donne des données supplémentaires sur les renouvellements d’air préconisés en fonction des usages en milieu tropical africain9 :

Tableau 2.2 : Taux de renouvellement d’air selon le taux d’occupation et l’utilisation du bâtiment pour pays tropicaux africains

locaux Débit [m3/h par personne]

Taux d’occupation [m2 par personne]

Débit [m3/h par m2]

Salle de cours 15 1,5 10Salle d’attente non-fumeur 18 3 6Salle d’attente fumeur 25 3 8,5Bureaux 25Bibliothèque 25 12,5 2Salle de réunion 18 1,5 12

2.1.3 Confort visuel et éclairage naturelDifférents facteurs déterminent la qualité de la lumière d’un point de vue du confort : la distribution de la luminance, l’intensité de lumière, le facteur de lumière du jour, le niveau de dépendance à l’éclairage naturel, l’éblouissement et enfin la couleur de la source lumineuse et son rendu.

5. IEPF, 2006, p. 144. 6. IEPF, 2006, p. 144. 7. Abaisser les taux de renouvellement d’air nuit en partie au confort des occupants mais

peut permettre de réaliser des économies substantielles, particulièrement en bâtiment sous ventilation mécanique.

8.DAHS,2012,p.2. 9. IEPF, 2006, p. 18.

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Distribution de la luminanceLa luminance peut-être définie comme une mesure de la capacité d’une source lumi-neuse à éclairer, rapportée à la surface observable de cette source10. Cette unité, mesurée en candela par mètre carré (cd/m²), peut donc être mesurée par le flux lumineux réfléchi rapporté à l’aire de la surface réfléchissante.

À titre indicatif, la luminance du soleil est de 2,3 milliards cd/m² et celle d’une lampe fluorescente de 6 000 à 8 000 cd/m². La lumière réfléchie par une surface dépen-dra du type de surface mais également de l’éclairement lumineux, qui est la densité de flux lumineux atteignant cette surface en Lux (lx), avec 1 lux=1lumen/m². Le lumen est l’unité physique (système impérial) de mesure du système lumineux. Nous revien-drons sur ces différents points dans la partie éclairage de ce guide (cf. Chapitre 4).

Illustration 2.2 : luminance

Source : ENERGIES 2050, d’après www.enablingenvironments.com.au (consultation novembre 2014).

La distribution de la luminance dans une pièce sera un facteur essentiel du confort visuel de l’occupant. En effet, lorsque deux surfaces à luminances très différentes sont concentrées dans son champ de vision central, l’œil connaît des difficultés à s’ajuster, ce qui peut entraîner notamment des sensations de fatigue. Des valeurs de ratios de luminances (valeurs minimales/maximales) autour de 1 sur 3 dans l’ergorama (champ de vision direct), de 1 sur 10 dans le panorama, et de 1 sur 40 dans l’ensemble du local sont ainsi considérées comme des maximums acceptables, selon une étude menée en Belgique11.

10. McMullan, 2007, p. 111. 11. Bodart M., Deneyer A. (sans date).

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Facteur de lumière du jourLe facteur de lumière du jour (FLJ) est le rapport entre la lumière reçue (lux) en un point donné à l’intérieur du bâtiment et l’éclaircissement extérieur simultané sur une surface horizontale par ciel couvert et en site dégagé, exprimé en pourcentage (voir illustration 2.3).

Illustration 2.3 : Facteur de lumière du jour

Source : Université Catholique de Louvain, Site Energie + (consultation du site novembre 2014).

Dans ces conditions de ciel couvert12, le FLJ est une mesure de la qualité du bâti-ment à capter la lumière naturelle (pourcentage de la lumière extérieure entrant dans le bâtiment), indépendamment de l’orientation des ouvertures ou de la saison (voir illustration 2.4). Le calcul du FLJ à un point donné passe par l’évaluation de trois composantes :

• Lacomposanteduciel(1dansl’illustration)–éclairementprovenantdupointdu ciel considéré.

• Lacomposanteréfléchieextérieure(2)–éclairementréfléchiparlessurfacesextérieures, par exemple les bâtiments.

• Lacomposanteréfléchieintérieure(3)–éclairementréfléchiparlesobjetsetsurfaces intérieurs.

12. Les conditions de ciel couvert (ou nuageux) permettent de faire abstraction du rayon-nement direct du soleil.

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Illustration 2.4 : Différentes composantes du FlJ

Source : Gratia E., Université catholique de Louvain (consultation du site novembre 2014), illustration redessinée par ENERGIES 2050.

D’après cette définition, on peut ainsi remarquer que le FLJ à un point donné sera dépendant en partie des coefficients de réflexion des surfaces internes et des coefficients de transmission de la lumière des vitres et des ouvertures des parois.

Tableau 2.3 : valeurs typiques du FlJ

FlJ < 1 % 1 à 2 % 2 à 4 % 4 à 7 % 7 à 12 % > 12 %

Très faible Faible Modéré Moyen Élevé Très élevé

Zone considérée Zone éloignée des fenêtres (distance environ de 3 à 4 fois la hauteur de la fenêtre)

À proximité des fenêtres ou sous des lanterneaux

Impression de clarté Sombre à peu éclairé Peu éclairé à clair Clair à très clairImpression visuelle du local Cette zone … semble être séparée … de cette zoneAmbiance Le local semble être refermé sur lui-même Le local s’ouvre vers l’extérieurSource : Université Catholique de Louvain, Site Energie + (consultation novembre 2014).

Facteur de lumière du jour moyenLe facteur de lumière du jour moyen peut être utilisé dans l’analyse du confort visuel interne d’un bâtiment. Il correspond à la moyenne des valeurs des FLJ mesurées au niveau de l’espace de travail dans l’ensemble de la pièce ou des espaces concernés. Le FLJ moyen peut également être estimé par13 :

(1) FLJmoy = Sf × TL × a / (St × (1 – R×R))Où,• Sf = surface nette de vitrage (ouverture de baiesmoins 10% pour les

châssis)[m²];

13. Université Catholique de Louvain, Site Energie + (consultation novembre 2014).

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• TL=facteurdetransmissionlumineuseduvitrage,dontondéduit10%pourtenir compte des saletés ;

• a=angleducielvisibledepuislafenêtre[°];• St=surfacetotaledetouteslesparoisdulocalconsidéré[m²];• R=facteurderéflexionmoyendesparois.Nous reviendrons plus en détail sur les valeurs recommandées des FLJ et

FLJ moyens dans le chapitre 4.

Facteur d’autonomie en lumière du jourUn autre indicateur pouvant être utile dans l’évaluation d’une stratégie d’éclairage est le facteur d’autonomie en lumière du jour. Il est défini comme le pourcentage des heures occupées (généralement de 8h à 18h) par an où le niveau d’éclairement mini-mum requis peut être assuré par la seule lumière naturelle. Des valeurs de 50 à 60 % sont généralement recommandées mais des stratégies passives pourront chercher à accroître ces taux aux alentours des 80 %14.

Un des avantages à l’utilisation de cet indice est qu’il prend non seulement en compte les conditions d’éclairement extérieur du site mais également l’occupation de l’espace étudié (valeurs minimales) et son orientation15.

ÉblouissementL’éblouissement peut être défini comme la sensation entraînée par l’observation de surfaces, dans un même champ de vision, ayant soit une luminosité trop intense soit un contraste lumineux trop important entre elles. Cela peut entraîner une réduction de l’aptitude à percevoir les objets et, dans certains cas, un aveuglement temporaire.16 L’éblouissement en éclairage naturel peut notamment être provoqué par :

• Unevisiondirecteducieloudusoleil(autraversdeparoistransparentes);• Laréflexiondusoleiletducielsurlesbâtimentsvoisins,enparticuliersi

ceux-ci utilisent des surfaces à forts coefficients de réflexion ;• Uncontrastedeluminancetropélevéentreunefenêtreetlemurdanslequel

elle s’inscrit, entre une fenêtre et son châssis ou encore entre une surface et les surfaces voisines.

L’éblouissement peut ainsi se produire en fonction de l’éclaircissement direct ou indirect. Tous ces éléments doivent être pris en considération dans la mise en place d’une stratégie d’éclairage passif, comme nous le verrons dans le chapitre 4.

14. Solener, 2014. 15. Université Catholique de Louvain, Site Energie + (consultation novembre 2014). 16. Université Catholique de Louvain, Site Energie + (consultation novembre 2014).

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2.1.4 Confort acoustiqueUn autre élément à prendre en considération dans la mise en place de stratégies passives est le confort acoustique des occupants. Offrir une ambiance sonore de qualité dépen-dra notamment d’une bonne protection contre les bruits extérieurs, un objectif qui peut rendre les stratégies de ventilation naturelle plus complexes comme nous le verrons dans le chapitre qui suit (chapitre 3).

Il convient ainsi de respecter certaines normes concernant la réverbération des locaux, l’isolement du bruit entre les espaces intérieurs, l’isolation de l’enveloppe extérieure et la maîtrise des bruits des équipements techniques.

Illustration 2.5 : Voies de transferts des bruits dans un bâtiment

Source : ENERGIES 2050, d’après http://www.infociments.fr/telecharger/CT-B41 (consultation novembre 2014).

Les maximums acceptables en termes de bruit dépendront en grande partie de la réglementation locale et de l’utilisation des locaux. L’illustration ci-dessous donne cependant certaines indications sur les valeurs à ne pas excéder en matière de décibels et de fréquence en fonction du type d’occupation.

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Illustration 2.6 : courbe de Wisner

Source : IEPF, 2006, p. 58.

Quelques règles de base concernant l’isolation auditive :• Lesmatériauxpluslégersoffrentenrèglegénéraleuneplusfaibleprotection;• Lesdoublesvitragesréduisentlestransfertsdesondepuisl’extérieur;• Lesmursdeséparationsinternesjouentunrôleimportantdanslaqualité

sonore des locaux ;• Lapriseencomptedel’environnementextérieurpeutpermettredelimiter

l’exposition du bâtiment aux bruits, et d’utiliser à bon escient des protections naturelles telles que la végétation et la topographie. Cela nécessitera également une bonne iden-tification des principales sources de pollutions sonores extérieures (par exemple routes ou transports).

Encadré 2.2 : Intégration des différents paramètres de confort

L’intégration des différents paramètres de confort dans la conception du bâtiment est un exercice difficile, une difficulté notamment liée aux influences parfois contradictoires du climat évoquées plus haut dans ce chapitre (tableau 2.1). Ainsi :

Le renouvellement d’air est nécessaire au confort olfactif et peut servir à réduire les apports thermiques via la ventilation naturelle du bâtiment, mais une entrée d’air trop importante peut entraîner des courants d’air et également des apports de chaleur, en fonction de la température extérieure de l’air ;

Les objectifs de confort acoustique sont susceptibles de limiter les pos­sibilités de ventilation naturelle et influent donc sur les stratégies mises en œuvre pour assurer le confort thermique ;

L’utilisation de la lumière naturelle s’accompagne généralement d’absorp­tion de radiations solaires et peut donc impacter le confort thermique des occupants.

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Tableau 2.4 : niveau de bruit recommandé dans les locaux

TYPE DE bÂTIMEnT TYPE DE lOcal db(a)

GARDERIES Écoles maternellesCrèches

30 / 40 / 4530 / 40 / 45

BÂTIMENTS PUBLICS AuditoriumsBibliothèquesCinémasSalles d’audience de tribunal

30 / 33 / 3530 / 33 / 3530 / 35 / 4030 / 35 / 40

COMMERCES Magasins de détailGrands magasinsSupermarchésSalles informatiques, grandesSalles informatiques, petites

35 / 40 / 5040 / 45 / 5040 / 45 / 5040 / 50 / 6040 / 45 / 50

HÔPITAUX CouloirsBlocs opératoiresSalles

35 / 40 / 4535 / 40 / 4525 / 30 / 35

HÔTELS CouloirsSalons de réceptionChambres d’hôtel (durant la nuit)Chambres d’hôtel (durant le jour)

35 / 40 / 4535 / 40 / 4525 / 30 / 3530 / 35 / 40

BUREAUX Petits bureauxSalles de réunionsBureaux paysagersBox à usage de bureaux

30 / 35 / 4030 / 35 / 4035 / 40 / 4535 / 40 / 45

RESTAURATION CafétériasRestaurantsCuisines

35 / 40 / 5035 / 45 / 5040 / 55 / 60

ENSEIGNEMENT Salles de coursCouloirsSalles de sportSalles des enseignants

30 / 35 / 4040 / 45 / 5035 / 40 / 4533 / 35 / 40

BÂTIMENTSSPORTIFS Stades couvertsPiscines

35 / 45 / 5040 / 45 / 50

TOUSTYPES ToilettesVestiaires

40 / 45 / 5040 / 45 / 50

Source : IEPF, 2006.

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2.2 Premières étapes d’une stratégie passive : choix du site et orientation

2.2.1 Sélection du siteÉtape importante du processus de conception, la sélection du site doit notamment tenir compte de l’influence du climat local et en particulier (nous reviendrons sur le pro-cessus de sélection du site dans le cadre particulier de la ventilation et de l’éclairage naturels, chapitres 3 et 4) :

• del’expositiondubâtimentauxvents,àl’humiditéetauxradiationssolaires;• de l’environnement immédiat (topographie, végétation,proximitéde la

mer, etc.) ;• del’utilisationfaiteduterritoireautourdusite(urbanisationparexemple).L’illustration suivante montre certaines des interactions du bâtiment avec son

environnement.

Illustration 2.7 : Interactions d’un bâtiment avec son environnement immédiat

Source : http://www.cnrm.meteo.fr (consultation novembre 2014), illustration redessinée et adaptée par ENERGIES 2050.

La présence d’infrastructures urbaines peut permettre une protection plus élevée contre les radiations solaires (effet masque), mais rendra également les stratégies passives d’éclairage et de ventilation plus complexes. Lorsque cela est possible, la végétation peut alors être une bonne alternative, agissant non seulement en absorbant la chaleur mais également en offrant une barrière naturelle aux vents, et ce, sans forcément bloquer la circulation de l’air, comme le montre l’illustration ci-après.

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Illustration 2.8 : Utilisation de la végétation comme protection naturelle

Source : ENERGIES 2050, d’après https://yourhome.infoservices.com.au/ (consultation novembre 2014).

2.2.2 Orientation du bâtimentUne fois la sélection du site effectuée, la seconde étape consiste à étudier l’orientation optimale du bâtiment. Celle-ci aura pour but de limiter l’exposition de l’enveloppe aux radiations solaires tout en maximisant le potentiel pour un éclairage et une ventilation naturels. L’utilisation de diagrammes solaires, en combinaison avec une analyse appro-fondie des différents obstacles (topographie, végétation, urbanisation) est généralement recommandée. Les diagrammes solaires permettent, en effet, d’examiner la trajectoire du soleil par rapport à la localisation du site, et donc d’étudier son interaction avec les différentes parties du bâtiment.

Illustration 2.9 : Exemple d’utilisation d’un diagramme solaire

Source : ENERGIES 2050, d’après http://greenpassivesolar.com (consultation novembre 2014).

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Les régions proches de l’Équateur présentent l’avantage d’expérimenter des varia-tions modérées tout au long de l’année, tant en termes de trajectoires que d’activités solaires. Cela permet de faciliter l’intégration des effets du soleil dans la conception du bâtiment.

Encadré 2.3 : Intégration simplifiée des paramètres climatiques dans l’orientation du bâtiment,

exemple de Port-au-Prince, Haïti

Illustration 2.10 : Diagramme solaire à Port-au-Prince, Haïti

Source : www.gaisma.com (consultation novembre 2014).

Les façades Est et Ouest, les toits ainsi que la façade Sud en hiver seront ici les plus exposés aux radiations solaires. Les températures moyennes restant élevées (23 à 25°C) tout au long de l’année, une orientation du bâtiment Nord­Sud avec une inclinaison légère vers l’Ouest ou l’Est, afin d’éviter l’entrée directe des radiations solaires en milieu de journée en hiver, sera préférable.

Compte tenu de l’humidité élevée à Port­au­Prince, l’orientation du bâti­ment doit aussi tenir compte de son exposition aux vents afin de faciliter la mise en œuvre d’une ventilation passive (voir chapitre 3). Il est conseillé d’utiliser dans ce cadre les roses des vents, combinées à une étude des différents obstacles à la circulation de l’air.

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Illustration 2.11 : Roses des vitesses moyennes et des fréquences, Haïti

Source : 3E, 2010.

Dans cet exemple, on pourra ainsi optimiser l’intégration des para­mètres climatiques avec une orientation du bâtiment Nord/Nord­Ouest à Sud/Sud­Est.

2.2.3 Placement des espaces internesChaque façade du bâtiment aura une exposition différente aux éléments tels que les radiations solaires et les vents. Une bonne orientation peut en conséquence s’accompa-gner d’une stratégie de zonage, qui consiste à placer les différentes pièces du bâtiment en fonction de cette exposition, de l’usage et du taux d’occupation prévisionnels des espaces intérieurs.

Illustration 2.12 : Exemple de stratégie de zonage concentrique appliquée à un climat tempéré

Source : ENERGIES 2050, d’après Université De Montfort, 2011.

Les zones les moins exposées aux apports de chaleur ou les plus aérées sont ainsi réservées à des utilisations demandant des températures modérées (chambres, salles de travail, etc.). À l’inverse, des locaux pouvant supporter des températures plus élevées, par exemple ceux dédiés au séchage ou au lavage de linge, pourront être placés du côté le plus exposé aux radiations solaires. Cette stratégie peut également permettre de regrouper les locaux en fonction de leurs besoins en air conditionné et de réduire ainsi le niveau de la facture énergétique, tout en adaptant au mieux le confort d’une pièce à l’utilisation qui en est faite.

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2.3 Forme du bâtimentLe choix de la forme du bâtiment aura un impact important sur sa future consomma-tion énergétique, son exposition aux éléments climatiques mais également sur le poten-tiel pour l’installation d’énergies renouvelables décentralisées de type photovoltaïque ou panneaux solaires.

2.3.1 CompacitéLe ratio de la surface du bâtiment comparée à son volume, en m²/m3, est notamment une donnée importante. À volume constant, les transferts thermiques entre le bâtiment et l’extérieur, qui en milieu tropical seront souvent caractérisés par un transfert de la chaleur extérieure vers les espaces intérieurs, vont s’accroître à mesure que la forme du bâtiment devient moins compacte. Une plus grande surface amène en effet une plus grande exposition aux radiations solaires, comme illustré ci-dessous.

Encadré 2.4 : Note sur la thermie du bâtiment

L’impact des radiations solaires et températures extérieures sur le confort thermique interne du bâtiment peut être principalement résumé en deux équationsa :

(2) QM = a . F . S . RM

Où,

• QM = Apports de chaleur par radiations, en W ;

• a = coefficient d’absorption de la paroi recevant le rayonnement (fonction de la couleur et nature du mur) ;

• S=surfacedelaparoi,enm²;

• F=facteurderayonnementsolaire(partabsorbéeparlasurfaceettransmise vers l’intérieur du local) ;

• RM=rayonnementsolaireincidentsurlasurfacedumur,enW/m²(données météorologiques), qui dépend :– De la latitude sous laquelle le local se trouve ;– De l’orientation du mur ;– De l’heure à laquelle le calcul sera effectué.

Et,

(3) QR = k . S . ∆θOù

• QR = Apport de chaleur par conduction et convection, en W ;

a. IEPF, 2006.

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• k=coefficientdetransmissionthermiquedelaparoiouduvitrageconsidéré[W/m²K];

• S=surfacedelaparoioudelafenêtreconsidérée[m²];

• ∆θ = différence de température entre les deux faces (extérieure/intérieure)delaparoiconsidérée[K],auxheureslespluschaudes.

La première équation (1) (voir section 2.1.3) résume l’interaction de la structure du bâtiment avec les radiations solaires. Celles­ci sont absor­bées, transférées vers les espaces internes (apports de chaleur) ou réflé­chies dans des proportions qui dépendent des caractéristiques des parois extérieures du bâtiment. À titre d’exemple, des matériaux plus clairs auront une capacité supérieure à réfléchir les radiations, tandis que des parois transparentes auront généralement une conductivité assez haute avec une transmission élevée de chaleur.

Illustration 2.13 : apports de chaleur par radiation et conduction

Source:ENERGIES2050,d’aprèsBakerN.,1987.

La seconde équation (2) résume les flux thermiques entre un bâtiment et l’espace extérieur (convection et conduction), qui dépendront une nouvelle fois de la structure de l’enveloppe (particulièrement de la conductivité thermique) et des différences entre les températures exté­rieures et intérieures.

Ces deux équations ont par ailleurs plusieurs implications en termes de confort en milieu tropical, notamment :

• lestransfertsthermiquespourrontêtrelimitésenréduisantlasurfaceS du bâtiment ;

• le choix des matériaux composant les parois extérieures (toits,fenêtres, planchers et murs) aura un impact critique en termes de confort interne et de future consommation énergétique.

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Illustration 2.14 : Deux types de bâtiments, à volume égal

Source : ENERGIES 2050, d’après http://anthro.palomar.edu/adapt/adapt_2.htm (consultation novembre 2014).

La réduction du ratio surface/volume peut ainsi permettre de réduire les transferts thermiques, mais également de limiter les matériaux nécessaires à la construction avec des conséquences en termes de coûts et d’énergie grise (comprend par exemple l’énergie nécessaire à la production des matériaux de construction et à leur transport sur le site).

Un compromis devra cependant être trouvé avec les objectifs de ventilation et d’éclairage naturels, qui sont eux favorisés par une forme longue et étroite du bâtiment. Une distance accrue entre les façades peut en effet impacter négativement la circula-tion d’air tandis qu’une structure plus compacte réduira l’entrée de lumière dans certaines pièces.

Dans un climat chaud et humide, il sera par exemple conseillé d’opter pour une structure moins compacte favorisant la ventilation naturelle du site, combinée à une protection efficace de l’enveloppe du bâtiment contre les apports de chaleur notamment sur ses façades Est et Ouest.

2.3.2 Exemple d’élément architectural en climat tropical : cour intérieure et atrium

L’aménagement d’une cour intérieure peut jouer un rôle de régulateur thermique : une bonne végétation peut permettre de stocker l’apport de chaleur, tandis que les murs alentours font généralement obstacle au soleil pendant la journée et fournissent ainsi un cadre de vie plus agréable.

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Illustration 2.15 : Cour intérieure, Whitesands resort Philippines

Source : www.whitesands.com.ph (consultation novembre 2014).

Les atriums sont considérés comme des solutions permettant de protéger les cours intérieures en les séparant de conditions climatiques extérieures parfois extrêmes. La conception d’un atrium demande cependant une bonne considération de toutes les conséquences potentielles sur le confort intérieur du bâtiment. Une étude portant sur les centres commerciaux en Malaisie17 a ainsi révélé certaines limites souvent ignorées des atriums en milieu tropical, résultant dans des coûts de maintenance élevés et de fortes consommations énergétiques.

Illustration 2.16 : Problèmes liés aux atriums traditionnels

Source : ENERGIES 2050, d’après Hamdan Ahmad M et al., 2000, pp. 4-6.

17. Hamdan Ahmad M et al., 2000, pp. 4-6.

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Comme l’indique cette illustration, le problème principal se situe dans l’exposition directe des structures de verre aux rayonnements du soleil, qui peut amener éblouissement et températures intérieures élevées, et par conséquent un usage excessif de l’air condi-tionné. Toujours selon cette étude, ce problème peut néanmoins être résolu ou atténué en utilisant des systèmes d’ombrages et de protections des côtés les plus exposés.

Illustration 2.17 : Protection des atriums

Source:ENERGIES2050,d’aprèsHamdanAhmadMetal.,2000,pp.4-6.

Le choix d’un atrium, s’il permet d’accroître le confort interne du bâtiment, doit donc s’accompagner de mesures complémentaires afin d’éviter les inconvénients évoqués ci-dessus.

2.3.3 Exemple d’architecture en climat tropical sec : la voûte nubienne

Élément architectural répandu en Afrique sahélienne, la voûte nubienne est une tech-nique de construction utilisant des toitures voûtées réalisées en terre. La technique de voûte nubienne présente de nombreux avantages, notamment :

• l’utilisationdelaterreconstitueunealternativeauxconstructionsentôle(matériau généralement proposé aux populations d’Afrique Sahélienne), inadaptées aussi bien d’un point de vue économique (importations des matériaux) que du confort des occupants18 ;

• SelonleFondsFrançaispourl’EnvironnementMondial(FFEM)19, la voûte nubienne permet de pallier le manque de ressources ligneuses telles que le bois ou la paille, et d’atténuer ainsi le rythme de déforestation élevé dans la région, tout en limitant l’importation de matériaux tels que la tôle, le ciment ou les chevrons ;

18. www.lavoutenubienne.org (consultation novembre 2014). 19. FFEM, site http://www.ffem.fr (consultation novembre 2014).

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• Dupointdevueduconfort,lesbâtimentsavecvoûtenubienneprésententpar ailleurs une meilleure inertie thermique (structure épaisse en terre) et permettent donc de mieux contrôler le climat intérieur en atténuant les fluctuations de températures entre le jour et la nuit à l’intérieur ; la chaleur est ainsi absorbée en journée, avec un relâchement déphasé durant la nuit.

Illustration 2.18 : Principes de construction de voûte nubienne.

Source : www.lavoutenubienne.org (consultation novembre 2014).

Illustration 2.19 : voûte nubienne à étage, boromo, burkina Faso.

Source : www.lavoutenubienne.org (consultation novembre 2014).

Ces exemples illustrent la nécessité d’adapter la forme et structure du bâtiment aux conditions non seulement climatiques mais également économiques et sociales locales. La promotion d’une architecture traditionnelle peut permettre de répondre à ces objec-tifs : voûte nubienne et constructions en terre en Afrique Sahélienne, ou constructions en bois en Asie du Sud-Est par exemple.

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2.4 Choix de l’enveloppe du bâtimentL’enveloppe joue un rôle crucial dans la conception d’un bâtiment vert et notamment dans les stratégies de ventilation et d’éclairage passifs. Nous reviendrons sur ce rôle dans les prochaines sections (chapitres 3 et 4), mais quelques considérations d’ordre général peuvent déjà être apportées.

2.4.1 ToitsParmi les différentes parties de l’enveloppe d’un bâtiment, les toits sont les plus direc-tement exposés aux radiations solaires et doivent donc être conçus afin de limiter les apports de chaleur. Différents éléments, tels que la forme, la structure ou la présence de combles doivent être considérés.

Illustration 2.20 : Formes de toits communes (Malaisie)

Source : ENERGIES 2050, d’après Wannah Enterprise (consultation du site novembre 2014).

En climat tropical humide, on privilégiera généralement une structure avec une inclinaison favorisant l’évacuation des eaux de pluie et les toits étendus afin de fournir une protection supplémentaire contre les radiations solaires. Le choix de cette structure (et notamment de son orientation et degré d’inclinaison) peut égale-ment prendre en compte la possibilité d’instal-lation d’énergies renouvelables.

Outrelastructure,lesmatériauxutilisésetleniveaud’isolationaurontunimpactélevé sur la thermie du bâtiment et le confort intérieur. Une méthode simple visant à réduire les transferts thermiques peut être l’utilisation de surfaces à forts coefficients de réflexion lumineuse (surfaces blanches ou ajout de feuilles de métal en aluminium par exemple).

Illustration 2.21 : Exemple d’ombrage fourni par les avant-toits, australie

Source : www.wilroof.com.au (consultation novembre 2014).

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Illustration 2.22 : Exemple de feuilles de métal en aluminium sur toits

Source : www.manaksia.com (consultation novembre 2014).

Une autre solution consiste à utiliser de la végétation (toits verts) comme protec-tion aux rayons du soleil, même si l’inclinaison du toit peut parfois rendre cette solution plus difficile à mettre en œuvre. Il est enfin possible d’ajouter des matériaux d’isolation aux structures de base.

2.4.2 Principes généraux concernant les parois extérieures

Comme nous l’avons vu précédemment, une paroi exposée à l’environnement extérieur est sujette à des échanges simultanés de chaleur par conduction et radiation. Chaque surface et matériel utilisés montrent des propriétés différentes dans ces échanges : une surface sombre et exposée au soleil atteindra ainsi des températures qui pourront être nettement supérieures à celles de l’air ambiant extérieur.

Deux éléments entrent ici en considération : la conductivité et l’inertie thermique des parois. Des matériaux avec faible conductivité ou combinés à une certaine isolation peuvent permettre d’atténuer l’impact des variations extérieures et sont notamment conseillés dans les bâtiments utilisant l’air conditionné afin de réduire les apports de chaleur. Dans les climats tropicaux humides, les conditions varient peu et rendent l’utilisation d’une forte inertie thermique (relâchement déphasé de la chaleur) peu conseillée : les murs doivent donc être légers et avoir des propriétés réflectives élevées, au moins aux endroits les plus exposés aux radiations solaires.

Il faut par ailleurs considérer que les murs Sud et Nord recevront généralement moins de radiations à mesure que l’on se rapproche de l’Équateur, et que l’utilisation de protections de type débords de toits et auvents sera donc souvent suffisante pour cesfaçades.EllesserontcependantpeuefficacespourcellesorientéesOuestetEst,considérant l’angle d’incidence assez plat du soleil dans ces directions (cf. chapitre 4).

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2.4.3 Les fenêtresCombinés à l’orientation du bâtiment, la taille, le nombre et l’emplacement des fenêtres doivent notamment permettre de trouver un équilibre pour :

• éviterdesapportsdechaleurtropimportants;• favoriserl’éclairagenatureltoutenlimitantlesrisquesd’éblouissement;• favoriserlaventilationnaturelletoutenlimitantunecirculationdel’airtrop

rapide et la pollution sonore créée par les bruits extérieurs ;• offrirunevuesurl’extérieurtoutenrespectantl’intimitédubâtiment.De manière générale, en climat chaud, les fenêtres doivent éviter une exposition

directe au ciel, principale source d’éblouissement, et doivent de préférence être larges et ouvrables afin de permettre une meilleure ventilation naturelle (fenêtres persiennes ou à la française par exemple) lorsque l’humidité est élevée.

Illustration 2.23 : Fenêtres persiennes

Source : www.persiennes.net (consultation novembre 2014).

Outreunemeilleureisolationpouréviterlesgainsdechaleur,certainesméthodessimples permettent d’atténuer les effets négatifs des vitrages en termes de luminosité :

• Vitres teintées : réduit la conductivité thermique et les transferts de chaleur ;• Enduction : revêtement de fines couches de métal qui permettent de réduire

efficacement la conductivité thermique mais présente des risques d’éblouissement pour les occupants des bâtiments voisins ;

• Technologies plus avancées où le verre est traité pour réduire son émissivité. Cela peut notamment être utilisé lorsque les techniques d’ombrages sont inefficaces, notammentsurlesfaçadesOuestouEst.

Nous aborderons ces sujets plus en détails dans les chapitres 4 et 5.

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2.4.4 Choix des matériauxLa sélection des matériaux de construction d’un bâtiment devra tenir compte20 :

• Del’énergiegrisecontenuedanslesmatériaux(énergienotammentdépenséelors de leur production et de leur transport) : il sera ainsi préférable d’opter pour des ressources locales plutôt qu’importées (voir tableau 2.5) ;

• Delaméthodedeproductiondesmatériaux:privilégierlesmatières(parexemple bois) provenant d’une exploitation durable dont les processus ne nuisent pas à l’environnement, en suivant notamment les programmes de certification ;

• Ducycledeviedesmatériaux:sipossibleopterpourdesmatériauxrecyclésou recyclables et non polluants, par exemple filière de brique en terre cuite (voir encadré 2.5) ;

• Desméthodesd’entretien:privilégier lesmatériauxquidemandentpeu d’entretien ou dont la maintenance aura un impact environnemental limité ;

• Deladurabilitédelastructureetdel’adaptabilitédesmatériauxauxcondi-tions climatiques locales ;

• Del’inertiethermiquerecherchée(voirtableau2.6).

20. Cairns Regional Council, 2011.

Tableau 2.5 : Exemples d’énergie grise de certains matériaux (variables selon les régions et les méthodes de production)

Type de matériau Énergie grise (en kWh/m3)

Métaux

Acier Cuivre Zinc-titane Aluminium

60 000 140 000 180 000 190 000

canalisations

Tuyau en grès Tuyau fibrociment Tuyau PVC Tuyau d’acier

3 200 4 000

27 000 60 000

Murs porteurs

Béton poreux Brique terre cuite (nids d’abeille) Béton Béton armé

200 450 500

1 850Enduits

À la chauxPlâtre Ciment

450 750

1 100

Type de matériau Énergie grise (en kWh/m3)

charpente

Bois d’œuvre Bois lamellé-collé

180 2 200

cloisons légères

Panneau de plâtre fibreux Panneau d’aggloméré Panneau fibre de bois (dur) Contreplaqué

900 2 200 3 800 4 000

Isolation thermique

Fibres de lin Cellulose de bois Laine de roche Perlite Laine de verre Polystyrène expansé Polystyrène extrudé

30 50

150 230 250 450 850

Etanchéité

Asphalte coulé 1 950

Source : Becare – Pipet, Gouvernement de la Nouvelle Caledonie, Ademe, 2008, p. 11.

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Encadré 2.5 : Matériaux de construction et recyclage des déchets : les ecoladrillos

(ou briques écologiques)

Une technique particulière d’« eco­ladrillos » s’est développée depuis plusieurs années en Amérique du Sud dans le cadre d’habitations infor­melles. Des bouteilles en verre vides sont remplies de déchets non bio­dégradables et sont ensuite utilisées comme matériaux de construction, tel qu’illustré ci­dessous :

Les bénéfices sont ici nombreux :

• Réductionde lacontaminationetpollution des sols ;

• Coûtsquasinulsquipermettentàdes familles modestes d’accéder à un logement décent ;

• Faible énergie grise et économies en extractiondematériauxeten transports ;

• Matériaurelativementisolant.

Tableau 2.6 : caractéristiques thermo-physiques des principaux matériaux de construction en afrique tropicale

Matériaux conductivités thermiques [W/m.k]

Masses volumiques [kg/m3]

chaleurs massiques [kJ/kg.k]

Cendre sèche 0,29 900 0,75Charbon de bois 0,041 – 0,065 185 - 215Coton 0,06 80 1,42Cuir 0,174 1000Écorce d’arbre 0,066 342Laine de bois (panneau) 0,09 400Laine de mouton 0,038 – 0,049 135 – 136 1,26Laine de roche 0,052 – 0,074 120 – 220 0,8 – 0,84Paille comprimée 0,12 140Papier 0,14Plume 0,037 80

Illustration 2.24 : Maison bâtie avec ecoladrillos

Source : Institut Mésoaméricain de Permaculture, imapermacultura.wordpress.com (consultation novembre 2014).

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Tableau 2.6 : caractéristiques thermo-physiques des principaux matériaux de construction en afrique tropicale (suite)

Matériaux conductivités thermiques [W/m.k]

Masses volumiques [kg/m3]

chaleurs massiques [kJ/kg.k]

Roseau 0,05 75Sciure de bois 0,06 – 0,07 213 2,51Soie naturelle 0,052 100Amiante de ciment 0,4 1800 0,96Béton de pouzzolane naturel 0,25 – 0,6 1200 – 1700Géobéton 0,7 – 0,8 1800 – 2310Béton armé 1,5 – 2,04 2300 – 2400 1,09Bitume 0,16 2050Contreplaqué 0,14 600 2,72Enduit à la chaux ou au plâtre lissé 0,87 1600 0,94Enduit au ciment 0,87 2200 1,05Copeaux de bois 0,081 140 2,51Béton 0,9 – 1,7 2200 – 2400 0,850 – 0,950Pierre calcaire 1,05 – 2,2 1650 – 2580 0,920Terre cuite 1,15 1800 – 2000 0,900Mur brique pleine 0,85 1850Mur brique creuse 0,4 1200 0,880Parpaing plein 1,1 2100Parpaing creux 0,67 1250 0,880Enduit mortier 1,15 1800 – 2100 0,880Enduit plâtre 0,45 1450 0,880Bois naturel 0,12 – 0,044 300 – 750 0,900Polystyrène expansé 0,036 – 0,044 9 – 35 1,200 – 1,800Laine de verre 0,04 100 – 300 1,210Carrelage 1,15 1800 0,700Gravillons 1,5 1200 0 ,980Pierre lourde 3,5 2800 0,920Feuille de bitume 0,23 1000 0,8000Terre pressée 1,15 1800 0,900Tôle 70 7800 0,800Source : IEPF, 2006, p. 22.

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2.5 Plan de masseNotons pour conclure ce chapitre qu’une majeure partie des paramètres à considérer peuvent être intégrés au sein d’un plan de masse bioclimatique, tel que représenté ci-dessous. Celui-ci peut inclure notamment les nuisances sonores à proximité, la tra-jectoire du soleil, le potentiel venteux, le cycle de l’eau ou encore les contraintes liées à l’urbanisme. Il devra également tenir compte de la gestion des déchets, avec des espaces prévus pour les bennes et les poubelles, et éventuellement des installations pour compostage et recyclage in situ.

Illustration 2.25 : Exemple de plan de masse bioclimatique

Source : ENERGIES 2050, d’après www.lesenr.fr (consultation novembre 2014).

Stratégies passives dans le bâtiment, bases et concepts

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Références3E, 2010. Études de vents dans trois sites en république d’Haïti, Bruxelles, Belgique,

disponible via http://www.bme.gouv.ht/Carte%20des%20vents/PR_PR101252_Final_report_part1_ResultatsCampagnesDeMesures_final.pdf.

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https://yourhome.infoservices.com.au/Cellule de Recherche en Architecture et Climat de l’Université Catholique de

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Centre National de Recherches Météorologiques - Groupe d’étude de l’Atmosphère Météorologique : www.cnrm.meteo.fr

Deparis : http://www.deparisnet.be/chaleur/FAQ/FAQ_chaleur5_indices.pdfEnabling Environment Australia : www.enablingenvironments.com.auFonds Français pour l’Environnement Mondial : http://www.ffem.frGratia E., Université catholique de Louvain : http://www-energie2.arch.ucl.ac.be/Gaisma (diagrammes solaires) : www.gaisma.comGreen Passive Solar Magazine : http://greenpassivesolar.com/Infociments, l’acoustique et le bâtiment : www.infociments.fr/telecharger/CT-B41.

12-29.pdfInstitut Mésoaméricain de Permaculture : www.imapermacultura.wordpress.comLes ENR : http://www.lesenr.fr/les-actualites/583-cpecoquartiergarepantin.htmlManaksia : http://www.manaksia.com/Tutoriels du Palomar College Anthropology : http://anthro.palomar.edu/tutorials/Persiennes.net : http://www.persiennes.net/Wannah enterprise : http://wannah.netWhite Sands Resort, Philippines : http://www.whitesands.com.phWilroof Australia : http://www.wilroof.com.au/

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Chapitre 3Ventilation et systèmes de refroidissement naturels

La ventilation d’un bâtiment peut être définie, dans sa composante la plus basique, comme le processus par lequel l’air intérieur est remplacé par un air plus sain pro-

venant de l’extérieur ou d’une source propre ; un processus nécessaire lié à la pollution rapide de l’air ambiant (air vicié) avec des poussières, des composés organiques volatiles, des odeurs, de l’humidité ou encore des fumées de cigarettes.

Ce processus doit être continu et remplir de nombreux objectifs, parmi lesquels :• Fournirdel’oxygèneetextraireledioxydedecarboneprovenantdelarespi-

ration des occupants ;• Contrôlerl’humiditédansuneoptiquedeconfortoudeconditionnement

des matériaux ;• Contrôlerlavitessedecirculationdel’air;• Retirerlespolluantstelsquelesodeurs,lesmicro-organismes,lesmites,etc.;• Retirerlesvapeursd’eaupouréviterlacondensation;• Retirerlesparticulestellesquefuméesetpoussières;• Retirerlescomposésorganiquesvolatilesprovenantdestapisoudesmeubles;• Retirerlesproduitsdecombustion,notammentliésàlacuisine;• Retirerlesgazd’ozoneliésauxphotocopieurs;et• Retirerleméthaneetlesproduitsdedésintégrationprovenantdessols.En outre, la ventilation naturelle peut également permettre de contrôler les apports

excessifs de chaleur et d’atteindre des objectifs de confort : la température ressentie peut baisser de 4°C avec une vitesse d’air de 1m/s1.

Les différentes fonctions de la ventilation naturelle varieront, en fonction du débit, de simple fonction hygiénique à l’évacuation des apports thermiques et à une vitesse d’air nécessaire au confort hygrométrique et olfactif des occupants.

1. Solener, ADEME, 2014.

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Illustration 3.1 : les fonctions de la ventilation

Source : Solener, ADEME, 2014.

Comme nous l’avons constaté dans le chapitre précédent, les besoins en matière de ventilation varient selon les taux d’occupation et l’utilisation des pièces du bâtiment.

3.1 Avantages de la ventilation naturelleL’utilisation de processus de ventilation naturels présente de nombreux atouts tant sur le plan économique que sur celui de l’environnement et du confort des occupants.

3.1.1 Avantages économiquesAu niveau économique, une stratégie de ventilation naturelle intégrée dès la conception du bâtiment peut permettre de réduire les coûts de construction (réduction des besoins en systèmes mécaniques de ventilation) dans des proportions variables en fonction des pays et du type de bâtiment. Ces économies étaient évaluées, à titre d’exemple, à 10 à 15 % du coût total des bâtiments non domestiques au Royaume-Uni comparativement à des constructions similaires disposant d’air conditionné.2

Par ailleurs, une ventilation naturelle permettra de réduire les coûts, souvent consi-dérables en régions tropicales, liés à la consommation énergétique des systèmes de ventilation mécanique ou d’air conditionné. Elle amènera parallèlement une plus grande résilience du bâtiment et une réduction des frais d’entretien et de réparation de ces systèmes parfois très complexes.

2. DETR CIBSE, 1998, p. 4.

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3.1.2 ConfortUn système de ventilation naturelle peut également permettre d’accroître le confort intérieur du bâtiment. Il offre notamment des conditions intérieures plus proches de celles trouvées à l’extérieur et évite ainsi les méfaits éventuels des chocs thermiques liés à l’usage d’air conditionné.

D’autre part, une ventilation naturelle offre plus de flexibilité et de contrôle aux occupants, ceux-ci pouvant notamment modifier l’aération (en ouvrant ou fermant une fenêtre par exemple) en fonction des besoins ponctuels. Ce contrôle accru serait égale-ment bénéfique en termes de santé et de productivité selon certaines études3.

La ventilation joue enfin en rôle important afin de tempérer l’humidité et les tem-pératures des espaces intérieurs, même s’il convient de balancer cet effet avec les risques d’inconforts liés à la vitesse de l’air. Une vitesse de 1m/s peut ainsi permettre d’accroître la température de confort jusqu’à 30-31°C4 (différence entre température ressentie et température ambiante de l’ordre de 4°C).

Illustration 3.2 : Effet de refroidissement lié à la ventilation en fonction des températures et de l’humidité relative (RH)

Source : ENERGIES 2050, d’après Aynsley R., 2007, p. 6, d’après Khedary et al., 2000.

3. DETR CIBSE, 1998, p. 4. 4. Solener, 2014b.

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3.1.3 Bénéfices environnementauxLa réduction de la charge en climatisation et en air conditionné additionnée aux éco-nomies d’équipements amènera mécaniquement une baisse des émissions de gaz à effet de serre associées aux activités du bâtiment. Parmi les autres avantages figure également la réduction de la pollution liée à l’utilisation de produits d’entretien des systèmes de ventilation mécanique.

Il faut noter cependant qu’ouvrir le bâtiment pour une ventilation naturelle peut néanmoins le rendre plus vulnérable à des nuisances telles que les vents, les pluies, les bruits extérieurs et les poussières, ou encore aux risques d’intrusions. Tous ces paramètres sont à prendre en considération dans la conception d’une ventilation naturelle.

3.2 Principes de la ventilation naturelleLes bénéfices évoqués reposent sur une conception adaptée du système de ventilation aux besoins et au site. Les sections ci-dessous rappellent certains principes de fonction-nement et les différents facteurs à considérer pour atteindre cet objectif. Il convient néanmoins de rappeler qu’il s’agit d’un phénomène complexe influencé par des para-mètres physiques pouvant avoir un fort impact au niveau local.

La ventilation naturelle d’un bâtiment est basée sur deux principes distincts et complémentaires :

• Laventilationtransversale,quireposesurunecirculationdel’airprovoquéepar les vents extérieurs pénétrant le bâtiment et évacuant ainsi l’air vicié5 ;

• L’effetdecheminée,quireposeluisurlesgradientsdetempératuresentreextérieur et intérieur et sur la dilatation de l’air sous l’effet de la chaleur.

3.2.1 Ventilation par effet de cheminée / tirage thermique

3.2.1.1 Principes et conceptsParticulièrement adaptée lorsque l’exposition aux vents extérieurs du bâtiment est contrainte par une forte urbanisation ou des obstacles naturels, une ventilation par effet de cheminée (tirage thermique) repose sur la circulation de l’air créée par des gradients de températures entre extérieur et intérieur : l’air plus chaud se dilate et remonte sous l’effet de la gravité, la densité de l’air au niveau du sol diminue et ce différentiel de pression amène un mouvement de l’air tel qu’illustré ci-après.

5. Air ayant déjà « servi », n’étant plus assez sain, pollué notamment par l’occupation des personnes.

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Illustration 3.3 : Effet de cheminée

Source : ENERGIES 2050, d’après www.heimlerheatcoolplumb.com (consultation novembre 2014).

L’effet de cheminée repose donc sur un minimum de deux ouvertures (fenêtres ou autres) dans les parois, l’une située en hauteur pour l’évacuation de l’air chaud, l’autre à un niveau bas pour l’entrée d’air frais. La vélocité de la circulation de l’air sous l’effet de cheminée peut-être calculée en utilisant l’équation suivante :

(1) =−

Q CS ghT T

Ti o

i2

Où,• Q=Vitessedecirculationdel’air(m3/s) ;• S=Surfaceduflux(m²),correspondantàlasurfacedel’ouverturelaplus

étroite ;• C=coefficientdedéchargedel’orificeleplusétroit,variableenfonctionde

ses caractéristiques (généralement autour de 0,65) ;• g=accélérationliéeàlapesanteur,soit9,81m/s2 ;• h=différencedehauteurentrelesdeuxouvertures(m);et• To–Tiestladifférenceentrelestempératuresextérieuresetintérieures(K).Partant de cette équation, la vitesse du flux d’air par effet de cheminée augmentera

donc en fonction de :• Latailledelaplusétroitedesouverturesetdesoncoefficientdedécharge.

Plus cette taille s’accroît, plus la vitesse de circulation de l’air augmente ;

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• Lahauteurentrelesouvertures:pluscettehauteurestgrande,pluslavélocités’accroît ;

• Ladifférencedetempératureentreextérieuretintérieur.Chacune de ces variables peut être exploitée dans la conception passive d’un bâti-

ment, comme nous le verrons ci-dessous.

Encadré 3.1 : Cas spécifique du tirage thermique dans les milieux tropicaux chauds

En milieu tropical chaud et particulièrement en journée, les tempéra­tures intérieures sont en général inférieures à celles de l’extérieur (dif­férentiel To­Ti négatif). Dans ce cas, le processus décrit ci­dessus peut s’inverser : l’air plus frais est évacué à travers l’ouverture inférieure et l’air extérieur entre par l’ouverture supérieure. Cette entrée d’air chaud voire humide peut alors représenter un problème qui doit être pris en compte dans la conception du système de ventilationa. L’ouverture supé­rieure devra notamment être protégée du soleil et si possible localisée légèrement en intérieur afin de limiter le niveau des apports thermiques (ouverture sous avant­toit par exemple).

a. Lokman et al., 2011.

3.2.1.2 Risques liés aux vents extérieursEn pratique, il est courant qu’un bâtiment dispose de systèmes d’aération complexes dotés de plusieurs ouvertures, notamment dans des bâtiments à plusieurs étages. De forts vents peuvent alors amener un flux depuis l’extérieur plus élevé que celui lié aux simples différentiels de pression. La circulation de l’air peut être perturbée et l’air vicié être poussé vers les zones du bâtiment situées en aval, comme le montre l’illustration ci-dessous :

Illustration 3.4 : Perturbation de la circulation d’air par vents extérieurs Circulation d’air prévue Influence des vents (flux de gauche à droite)

Source : BRE, 1997, illustration redessinée par ENERGIES 2050.

Dans ce cas une orientation légèrement décalée du bâtiment par rapport aux vents dominants sera préférable.

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3.2.1.3 Gestion de la taille relative des ouverturesUne bonne planification de la taille et de l’emplacement des ouvertures est donc une étape importante du processus. Une taille similaire d’ouverture en bas et en haut va créer un équilibre de pression de l’air à mi-distance entre les ouvertures, comme le montre l’illustration ci-dessous.

Illustration 3.5 : Équilibre de pression d’air pour ouvertures de tailles équivalentes

Source:ENERGIES2050,d’aprèsLokmanetal.,2011.

Changer cet équilibre peut néanmoins être bénéfique : en journée en milieu tropi-cal, agrandir la taille de l’ouverture du bas (ou rétrécir celle du haut) peut amener un rabaissement de la ligne d’équilibre et une circulation d’air plus turbulente pouvant notamment être utilisée dans des stratégies de rafraîchissement de chaleur latente.6 L’illustration suivante montre la relation linéaire entre accroissement de la vitesse de l’air et taille relative (ou comparée) des ouvertures.

Illustration 3.6 : Exemple d’augmentation de la vitesse de l’air en fonction des variations relatives de la taille des ouvertures

Source : ENERGIES 2050, d’après Wei Fang, 2003.

6.Lokmanetal.,2011.

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Dans cet exemple, une taille relative de 1 à 6 des ouvertures amènera une circula-tion de l’air accélérée de 40 % comparée à deux ouvertures de tailles égales. Ce quotient est néanmoins susceptible de varier en fonction des bâtiments et des sites.

3.2.1.4 Méthodes à considérer pour accroître l’efficacité

Accroître la hauteur H entre les ouverturesComme nous avons pu le voir, l’efficacité de l’effet cheminée dépend en partie de la distance entre les ouvertures hautes et basses du bâtiment.

Illustration 3.7 : variations de la vélocité de circulation de l’air en fonction de la hauteur H et des différences de températures

Source : ENERGIES 2050, d’après Evans M., 1980.

Ce type de ventilation naturelle sera donc d’autant plus efficace dans des bâtiments élevés, même si une bonne exploitation de la structure (par exemple en plaçant l’ouver-ture du haut dans des combles) peut permettre de compenser une hauteur plus modérée.

Utilisation d’un atriumSi le bâtiment dispose d’une cour centrale dotée d’un atrium, cette structure peut être utilisée pour renforcer la circulation et l’évacuation de l’air, particulièrement si le bâti-ment dispose de plusieurs étages, comme illustré ci-après.

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Illustration 3.8 : utilisation d’un atrium pour ventilation par effet de cheminée

Source : Université Catholique de Louvain, site Energie + (consultation novembre 2014).

Accroître la taille des ouverturesAugmenter la dimension des ouvertures peut permettre d’accroître sensiblement l’entrée et la circulation de l’air dans le bâtiment. Ce choix devra cependant être balancé avec les objectifs de confort du bâtiment (et notamment la vitesse de circulation de l’air maximum) et également la nécessité de maîtriser l’entrée d’air chaud et humide en milieu tropical. Tout cela devra donc être soigneusement évalué durant les premières étapes de la conception.

Illustration 3.9 : vitesse de la circulation de l’air en fonction de la hauteur et de la taille des ouvertures

Source : ENERGIES 2050 d’après www.architecture.com (consultation novembre 2014).

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Différentiel de températureIl est enfin possible d’accroître l’effet lié au différentiel de température en utilisant une cheminée solaire, également appelée cheminée thermique, qui renforce le mouvement convectif de l’air en le chauffant passivement via un conduit exposé aux rayonnements du soleil.

Illustration 3.10 : Principes d’une cheminée solaire

Source : ENERGIES 2050 d’après « Renewable Energy for the Poor Man » (consultation du site novembre 2014).

Illustration 3.11 : cheminées solaires sur bâtiments

Source : www.outilssolaires.com (consultation novembre 2014).

L’utilisation d’une telle structure doit néanmoins s’accompagner d’une bonne iso-lation entre la cheminée et les espaces intérieurs afin de limiter les apports de chaleur non désirés.

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Organisation interne du bâtimentÀ l’image du « zonage » évoqué plus tôt dans cet ouvrage (Chapitre 2), une organisa-tion efficace des différentes pièces peut grandement favoriser la circulation de l’air notamment en réduisant les obstacles (par exemple partitions internes), tel qu’illustré ci-dessous.

Illustration 3.12 : Exemple d’organisation interne favorisant la circulation de l’air en bâtiment domestique

Source:ENERGIES2050,d’aprèsLokmanetal.,2011,p.7.

Dans cet exemple, seules les pièces nécessitant une certaine intimité (chambres, salles de bains) sont dotées de partitions, les autres étant rassemblées dans un large espace ouvert. Cette méthode est néanmoins à modérer avec les objectifs de confort acoustique mais également thermique, en particulier au sein d’un bâtiment climatisé (cf. Chapitre 5).

Obstructions au niveau des ouverturesIl est enfin critique de placer les ouvertures dans des endroits clairs avec peu ou pas d’obstructions, afin de ne pas bloquer la ventilation.

Illustration 3.13 : absence d’obstructions favorisant la circulation de l’air

Source:ENERGIES2050,d’aprèsLokmanetal.,2011,p.7.

Ces deux derniers conseils valent également pour la ventilation transversale, que nous allons étudier ci-après.

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3.2.2 Ventilation transversaleLa ventilation transversale peut être utilisée comme complément ou alternative plus puissante à l’effet de cheminée. Elle repose principalement sur la circulation des vents extérieurs et sur une bonne orientation du bâtiment et des ouvertures, telles que repré-sentées schématiquement ci-dessous :

Illustration 3.14 : ventilation transversale

Source : www.outilssolaires.com (consultation novembre 2014), illustration redessinée par ENERGIES 2050.

L’étude des vents dominants est donc la première étape à effectuer. Nous avons vu que certains outils, tels que la rose des vents (cf. Chapitre 1), permettaient d’étudier la direction, la fréquence et la puissance des vents sur un site donné. Cependant, les mesures sont en général prises à 10m de hauteur et à l’aéroport le plus proche, et ne prennent pas en compte plusieurs facteurs qui ont un impact élevé à un niveau micro-local.

Les éléments topographiques tels que les collines et montagnes jouent ainsi un rôle important dans la direction et la force des vents. Sur les versants exposés, la circulation de l’air peut être accélérée à hauteur de 54 %, tandis que les vents seront ralentis et leurs directions possiblement modifiées sur les versants abrités. Le tableau suivant présente des ratios d’accélération de la vitesse du vent en fonction de l’inclinaison des pentes d’une colline.

Tableau 3.1 : coefficients de multiplication de la vitesse des vents, collines à versants exposés, pente supérieure à 33 %

Pente moyenne supérieure à 33 %

Partie (tiers) basse Partie centrale Partie haute Dessus

1 1.25 1.55 1.25Source : Aynsley R., 2007.

L’utilisation du territoire aux alentours du site ainsi que les différents éléments naturels qui le composent jouent également un rôle important et influent sur la vitesse des vents et l’évolution des gradients en fonction de la hauteur.

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Illustration 3.15 : Modification des gradients de vitesse des vents en fonction des obstacles

Source:ENERGIES2050,d’aprèsBaker,1987.

Il sera ainsi plus aisé d’accéder à des vents plus rapides et à une hauteur modérée sur un site exposé.

Tableau 3.2 : coefficients d’ajustement de la vitesse des vents en fonction de la hauteur et du type de terrain

Hauteur au-dessus du sol (mètres)

catégorie 1 (Étendue d’eau)

catégorie 2 (aéroport)

catégorie 3 (banlieue – densité urbaine moyenne)

catégorie 4 (Zone urbaine dense)

500 159 %400 159 % 146 %300 159 % 152 % 132 %200 156 % 152 % 143 % 114 %100 147 % 140 % 128 % 89 %50 138 % 128 % 113 % 69 %30 132 % 119 % 101 % 58 %20 126 % 112 % 93 % 50 %15 123 % 107 % 86 % 45 %10 117 % 100 % REF 77 % 39 %9 116 % 98 % 75 % 37 %8 115 % 96 % 72 % 36 %7 113 % 94 % 69 % 34 %6 111 % 91 % 66 % 32 %5 109 % 88 % 62 % 30 %4 106 % 84 % 57 % 28 %3 102 % 79 % 51 % 25 %2 97 % 72 % 42 %1 88 % 60 % 27 %

0,5 84 % 48 % 11 %Source : D’après Aynsley R., 2007.

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Si l’on prend comme référence la vitesse des vents mesurée à l’aéroport le plus proche et à 10 mètres de hauteur, on constate que cette vitesse aura diminué en moyenne d’environ 23 % en milieu semi-urbain et 61 % en milieu urbain dense à hauteur équivalente. Le placement du bâtiment en fonction des obstacles alentours aura également son importance et il est donc recommandé de s’éloigner ou de se décaler en prenant en compte le sens des vents dominants.

Illustration 3.16 : Effets de masque des bâtiments sur les vents

Source:Baker,1987,p.106,illustrationredessinéeparENERGIES2050.

Par ailleurs, la végétation, qui comme nous l’avons vu peut permettre une meilleure protection contre l’ensoleillement et les radiations solaires, ne doit pas faire obstruction à la circulation de l’air au niveau des parois. Une végétation haute avec des troncs fins peut permettre de remplir ces deux objectifs à la fois.

Illustration 3.17 : Impact d’une végétation à haut tronc

Source:Baker,1987,p.106,illustrationredessinéeparENERGIES2050.

3.2.2.1 Types de ventilation transversale

Illustration 3.18 : Différents types de systèmes de ventilation

Source : ENERGIES 2050, d’après www.commercialwindows.org (consultation novembre 2014).

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Contrairement à l’effet de cheminée, il est possible d’instaurer une ventilation transversale avec une seule ouverture, si possible exposée aux vents, même si l’efficacité d’un tel système reste relativement faible avec un risque d’accumulation de l’air vicié au fond de la pièce. Une seconde ouverture sur la même façade présente les mêmes risques, particulièrement si la force des vents est assez élevée. La conception à privilégier ici est deux ouvertures sur des murs parallèles et dans la direction des vents.

Tableau 3.3 : Récapitulatif des différents dispositifs et de l’effet recherché

niveau de renouvellement d’air

Effet recherché vitesse en proportion des vents extérieurs, avec hauteur des ouvertures = 1/3 de celle de la paroi*

largeur des fenêtres = 1/3 de celle

de la paroi

largeur des fenêtres = celle de la paroi

Santé Débit hygiénique pour diminuer les pollutions, conformément à la réglementation

NA

confort hygrométrique Abaissement partiel des températures

12-14 % 16-23 % (23 % si double ouverture)

confort Abaissement efficace des températures et atteinte sur durée partielle du minimum de vitesse de l’air

35-42 % (jusqu’à 45 %

pour ouvertures sur murs adjacents)

47-65 % (limitée à 51 % pour ouvertures

sur murs adjacents)

confort Abaissement très efficace des températures et atteinte de vitesse de l’air suffisante une majeure partie du temps

* www.commercialwindows.org (consultation novembre 2014).Source : Solener, ADEME, 2014.

Si seul un mur ou deux murs adjacents sont exposés à l’extérieur, la circulation de l’air peut néanmoins être améliorée via l’utilisation de murets, en séparant le plus possible les ouvertures si celles-ci sont situées sur le même mur.

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Illustration 3.19 : utilisation de murets pour ventilation

Source : ENERGIES 2050, d’après Brown G.Z. et DeKay M., 2000.

Placement vertical des ouverturesLe placement et la taille des ouvertures aura un impact important sur l’efficacité d’une stratégie de ventilation transversale et sur les ressentis en termes de confort.

Illustration 3.20 : circulation de l’air en fonction du placement des ouvertures

Source : Evans, 1980, illustration redessinée par ENERGIES 2050.

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Comme le montre cette illustration, le placement de l’ouverture d’entrée au niveau haut (1 et 4) résultera en une circulation de l’air assez pauvre au niveau des occupants, quel que soit l’emplacement de la sortie d’air. Une entrée d’air assez basse et une sortie plus en hauteur (3) reste le meilleur modèle pour une circulation d’air plus uniforme.

D’autres systèmes utiliseront une évacuation d’air par le haut (combinaison avec effet de cheminée) ou un système plus élaboré (illustration ci-dessous).

Illustration 3.21 : ventilation transversale avec multiples entrées et sorties d’air

Source:ENERGIES2050d’aprèsBakerN.,p.97.

3.2.2.2 Taille des ouverturesLe niveau de circulation d’air et sa vélocité dépendront en grand partie de la taille des ouvertures. L’équation suivante permet de déterminer le niveau de débit d’air :

(1) Q = Cd . A . (2(pt-ps)/d)1/2

Où,• Qestleniveaudedébitd’air(m3/s) ;• Cd est le coefficient de décharge de l’ouverture ;• A correspond à la taille (m²) de l’ouverture ;• pt est la pression totale à travers l’ouverture (pa) ;• ps est la pression de l’espace en aval de l’ouverture (pa) ; et,• destlamassevolumiquedel’air(kg/m3).Plus la taille de l’ouverture sera grande, plus la circulation d’air à travers cette

ouverture sera élevée. Un autre facteur à considérer est la surface totale des ouvertures (fenêtres ou autres) en relation à la surface de la façade extérieure.

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Illustration 3.22 : Relation entre vents intérieurs (en pourcentage des vents extérieurs) et pourcentage d’ouverture de la façade

Source : ENERGIES 2050 d’après Evans, 1980.

De plus grandes ouvertures permettront ainsi un plus grand afflux d’air, avec des vitesses se rapprochant de celles des vents extérieurs. Il est néanmoins important de balancer ces effets en fonction des apports de chaleur potentiels en milieu tropical, avec une température de l’air extérieure plus élevée, et des objectifs de confort olfactif (entrée de polluants) et acoustique.

3.2.2.3 Conseils supplémentaires

Organisation des espaces intérieursÀ l’image de la ventilation par effet de cheminée, une bonne ventilation transversale sera facilitée par un espace interne aéré avec peu d’obstructions. L’illustration sui-vante montre l’effet sur la circulation de l’air d’un mur de partition en fonction de son placement par rapport aux ouvertures.

Il est donc conseillé de minimiser les obstructions à la circulation de l’air et de privilégier des ouvertures décalées et situées sur deux murs se faisant face, ce qui peut être facilité par une forme longue et étroite du bâtiment. À défaut de quoi l’organisation du système de ventilation devra tenir compte de l’impact des différentes obstructions.

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Illustration 3.23 : circulation de l’air dans les espaces intérieurs avec et sans partition, en fonction du placement des ouvertures

Source : ENERGIES 2050, d’après Givoni B., 1981, p. 303.

Utiliser des éléments architecturaux : exemple des tours du ventLes tours du vent, ou badgirs, sont un élément architectural visant à capturer les vents passant en hauteur au-dessus du bâtiment pour aérer les espaces intérieurs situés en dessous. Eléments traditionnels de l’architecture perse, ils sont particulièrement recom-mandés dans les cas où les obstructions à la circulation de l’air au niveau des sols sont nombreuses.

Illustration 3.24 : circulation des vents avec et sans tour des vents

Source:ENERGIES2050,d’aprèsUniversitéPolytechniquedeHongKong(consultationdusitenovembre2014).

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Organisation du siteEn milieu tropical, il est critique de contrôler la température de l’air entrant afin d’éviter l’apport de chaleur et d’humidité. L’illustration ci-dessous montre comment une mauvaise organisation des espaces extérieurs peut avoir des conséquences négatives sur la qualité de l’air entrant. Dans ce cas précis, l’air est réchauffé par son interaction avec du tarmac noir avant son entrée dans le bâtiment, alors que de l’herbe ou de la végétation permettraient de réduire ces apports thermiques.

Illustration 3.25 : Réchauffement de l’air entrant via le contact avec une surface chaude

Source:ENERGIES2050,d’aprèsBaker,1987.

Ventilation sur plusieurs étagesLa ventilation sur plusieurs étages doit suivre les principes énoncés ci-dessus et s’adapter à la physionomie du bâtiment. Elle pourra s’appuyer sur une ventilation transversale par étage (cf. illustration 3.26, à gauche), une évacuation de l’air via un corridor central ou atrium, avec ou sans cheminées solaires (à droite), ou même via un système propre à chaque pièce (en bas). Cette dernière option devra néanmoins être utilisée en dernier recours considérant le rendu assez faible en termes d’efficacité.

Illustration 3.26 : Types de ventilation sur bâtiment de plusieurs étages

Source : Bruxelles environnement, Guide Bâtiment Durable (consultation du site novembre 2014).

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3.2.3 Conseils pratiques

3.2.3.1 Démarches à effectuerAvant d’entreprendre la conception du système de ventilation, plusieurs étapes sont donc à effectuer :

• Étudieravecattentionlescaractéristiquesdesvents,entenantcomptedumicroclimat local, des obstructions mais également des sources d’air et des pollutions éventuelles (par exemple transports en amont).

• Identifierlespossiblesbesoinsdetraitementsdel’air(retraitdechaleur,despolluants).

• Calculerlacirculationdel’airnécessairepoursatisfaireauxobjectifsdequalitéde l’air et de confort thermique. Bien sélectionner le type de fenêtres et d’ouvertures en conséquence, et utiliser des brasseurs d’air en complément si nécessaire.

• S’assurerdelaconformitédubâtimentetlimiterlesrisquesnotammententermes de courants d’airs, d’apports thermiques et de confort visuel pour les occupants.

• Orienterlebâtimentpouruneexpositionmaximaleauxvents(anglede0à30°), en tenant compte néanmoins des objectifs de confort.

Illustration 3.27 : Exemple de stratégie de ventilation intégrée

Source : ENERGIES 2050, d’après Université De Montfort, 2011.

Dans cette illustration, on peut notamment constater la prise en compte des bruits extérieurs qui peuvent nuire au confort ainsi que des rejets des cuisines, situés en aval des vents et à une hauteur supérieure aux sorties d’air afin d’éviter toute pollution (par exemple odeurs).

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Il sera par ailleurs parfois nécessaire d’utiliser des protections telles que des anti-moustiques. Ces protections peuvent ralentir la circulation de l’air dans des pro-portions pouvant aller jusqu’à 84 %, un facteur dont il faudra donc tenir compte et qu’il faudra intégrer dans la conception7.

3.2.3.2 Compatibilité avec ventilation mécanique contrôlée (VMC)En environnement urbain dense il est parfois compliqué de conserver les fenêtres ouvertes et donc de ventiler le bâtiment, notamment pour des raisons de pollutions et de bruits. L’utilisation de ventilateurs électriques ou d’une VMC peut alors être un bon complément aux stratégies naturelles. Le choix des ventilateurs devra se faire en fonc-tion des besoins, notamment du temps d’utilisation escompté et des dimensions de l’édifice, ainsi que de leur efficacité énergétique. Ils peuvent être mobiles ou fixés aux plafonds ou aux murs (attention cependant aux courants d’airs provoqués).

Tableau 3.4 : conseils pratiques concernant les ventilateurs de plafond

conseils pour brasseurs plafond

Diamètre des pâles en cm Supérieure à 140 cm, moins (80 cm min.) si pièces ≤ 20m²*Vitesses 3 minimumConsommation en veille Inférieure à 0,5 WAcoustique Niveau sonore faiblePuissance absorbée max 50 à 80 W par brasseurHauteurentrepâlesetplafond Minimum 30 à 50 cmNombre de brasseurs d’air 1 tous les 10-12m², avec un nombre pair sauf pour petites salles (1 brasseur)Commande Manuelle ou gérée par sonde de présence* www.specialistes-air.com (consultation novembre 2014).Source : Solener, 2014a.

Encadré 3.2 : Notes sur les infiltrations d’air

Une bonne maîtrise des infiltrations d’air à travers le bâtiment est néces­saire pour une ventilation naturelle efficiente mais également et surtout en bâtiments climatisés. Ces infiltrations peuvent perturber la circulation de l’air et avoir des conséquences néfastes (d’autant plus en bâtiment climatisé) en termes d’apports de chaleur et de pollutions diverses.

7.Baker,1987,p.106.

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Les fuites d’air peuvent venir notamment des liaisons entre façades et planchers, des menuiseries extérieures, des équipements électriques (exemple : prises de courant sur parois extérieures), de trappes, des portes ou d’éléments traversant les parois. À titre d’exemple, une porte courante pourra avoir une perméabilité 6 fois supérieure à celle d’une porte avec joint d’étanchéité (Solener, 2014a).

Illustration 3.28 : Exemples typiques de défauts d’étanchéité de l’enveloppe du bâtiment

Source : IBGE, 2010.

Il conviendra donc de limiter ces fuites dans la conception du bâtiment, en adoptant par exemple des matériaux plus hermétiques (se référer notamment au classement constructeur AEV, Air Eau Vent, des matériaux).

3.3 Stratégies de refroidissement naturelNous avons déjà évoqué auparavant que la ventilation peut servir dans des stratégies de refroidissement naturel, notamment via une vitesse de circulation de l’air assez élevée dans les limites du confort des occupants. Néanmoins d’autres méthodes peuvent per-mettre de refroidir les espaces intérieurs sans usage de l’air conditionné.

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3.3.1 Refroidissement par évaporationLe refroidissement par évaporation est un phénomène physique dans lequel l’évapora-tion d’un liquide dans l’air ambiant le refroidit. Il est particulièrement utilisé dans les climats ou les périodes de l’année plutôt secs. L’utilisation dans le bâtiment peut être combinée aux principes de ventilation par le biais du système illustré ci-dessous :

Illustration 3.29 : Principe d’un refroidisseur par évaporation

Source : http://www.jshumidificateurs.fr (consultation novembre 2014).

L’air entrant passe au travers d’un média imbibé d’eau qui le refroidit avant son entrée dans le bâtiment. Ce média doit donc être installé au niveau de l’entrée d’air prévue par le système de ventilation, où la circulation de l’air peut être aidée par un système mécanique.

Une des limites de ce système est qu’il ne fonctionne pas lorsque l’air est déjà chargé d’humidité, comme c’est le cas en climat tropical chaud et humide. L’utilisation en combinaison d’un déshumidificateur peut permettre d’accroître l’efficacité du sys-tème en diminuant l’humidité relative de l’air entrant avant son passage via le média.

Illustration 3.30 : utilisation combinée de déshumidificateur et de refroidissement par évaporation

Source:ENERGIES2050,d’aprèsBakerN.,1987.

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Ventilation naturelle nocturneUne flexibilité importante des systèmes de ventilation, qui permet une arrivée d’air plus élevée durant la nuit lorsque l’air extérieur est plus frais, peut être une alternative possible pour refroidir les espaces internes du bâtiment.

Illustration 3.31 : ventilation différenciée en fonction des températures

Source:ENERGIES2050,d’aprèsBaker,1987,p.106.

Le tableau suivant donne une indication des différentes considérations entrant dans le choix d’une climatisation basée sur la ventilation naturelle en climat tropical humide.

Tableau 3.5 : considérations pour systèmes de climatisation naturelle basés sur la ventilation

Site conditions favorables pour refroidissement naturel

conditions acceptables/améliorations possibles

Environnement construit • Pasd’obstaclesàlacirculationdesvents• Possibilitédecapterlesventssecondaires• Rugositéetombrageenvironnants

• Siobstacles,optimiserparuneétudeaéraulique à l’échelle de la parcelle

• Combinaisonavecbrasseursd’airsi nécessaire

Environnement acoustique

Zone calme Protection acoustique si zone moyennement bruyante, dépendant de l’usage du bâtiment (hôpital, domestique, bureau)

Lutte contre îlot de chaleur urbain

Possible utilisation de végétation à haute tige

Végétalisation des parois

Qualité sanitaire (ex. insectes ou moustiques)

• Pasd’eaustagnantedanslevoisinage• Luttecontrel’humiditéavecdrainage

au pied des façades, végétation

Moustiquaires (a cependant un impact sur la ventilation du bâtiment)

Sécurité Zone tranquille ou non accessible par l’extérieur

Grilles fixes centrales, fermetures adaptées, jalousies résistantes à l’effraction

Source : Solener, ADEME, 2014.

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Utilisation de l’inertie thermiqueL’utilisation d’une forte inertie thermique est applicable principalement pour les cli-mats où les variations de températures journalières sont élevées. Le bâtiment va absorber la chaleur en journée avec un relâchement déphasé permettant ainsi un écrêtage des températures minimales et maximales (amortissement) et un meilleur contrôle du cli-mat intérieur (températures plus fraîches qu’à l’extérieur durant la journée, plus chaudes la nuit).

Illustration 3.32 : Effets de l’inertie thermique

Source : Surya consultants, via Eti constructions (consultation du site novembre 2014), illustration redessinée par ENERGIES 2050.

Puits canadienL’utilisation d’un puits canadien s’avérera également bénéfique dans les climats où l’amplitude de variations des températures journalières est élevée. Ce système consiste à faire circuler l’air entrant dans un réseau de tuyauteries à 1 ou 2 m de profondeur, où la température des sols varie peu. L’échange thermique par convection permet ainsi de rafraîchir l’air (ou de le réchauffer la nuit) avant son entrée dans le bâtiment.

Illustration 3.33 : Puits canadien

Source : www.credit-impot.fr (consultation novembre 2014).

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Référencesaynsley R., 2007. Natural ventilation in passive design, BEDP Environment Design

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baker n.v., 1987. Passive and Low Energy Building Design For Tropical Island Climates, Commonwealth Science Council, ECD Partnership, Londres.

bRE, 1997. BICEPS module. Ventilation, Energy Efficiency and Indoor Air Quality, HMSO,Londres.

brown g.Z. et DeKay M., 2000. Sun, Wind and Light : Architectural Design Strategies, 2nd edition, Wiley, Royaume-Uni.

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DETR cIbSE, 1998. Good practice guide 237, Natural ventilation in non-domestic buildings – a guide for designers, developers and owners, DETR CIBSE, Londres.

Evans M., 1980. Housing Climate and Comfort, Architectural Press, Londres.givoni b., 1981. Man, Climate and Architecture,VanNostrandReinhold,NewYork,

p. 303.Institut bruxellois pour la gestion de l’Environnement (IbgE), 2010. Guide pra-

tique pour la construction et la rénovation de petits bâtiments, IBGE, Bruxelles, Belgique, disponible via http://app.bruxellesenvironnement.be/guide_batiment_durable/docs/ENE10_FR.pdf.

Izudinshah abd. Wahab, lokman Hakim Ismail, 2011. Natural Ventilation Approach in Designing Urban Tropical House, Département d’Ingénierie en Construction et Architecture,UniversitéTunHusseinOnnMalaysia,disponibleviahttp://eprints.uthm.edu.my/2538/1/Natural_Ventilation_Approach_in_Designing_Urban_Tropical_House.pdf.

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Solener, 2014a. L’architecture bioclimatique en climat tropical humide : Conception ther-mique, Module pour l’Initiative pour la Promotion des Villes Durables en Afrique, Octobre2014,Lomé,Togo.

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Solener, aDEME, 2014. Guide climatisation tertiaire en Guyane, ADEME Guyane (version d’octobre 2013).

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Wei Fang, 2003. Environmental Engineering to reduce Heat stress in Dairy Cattle, Université Nationale de Taïwan, Centre Technologique Nourriture et Fertilisant, disponible via http://www.agnet.org/library.php?func=view&style=&type_id= 5&id=20110801163637&print=1.

Sites internet (dernière consultation en janvier 2015) et sources additionnelles des illustrationsarchitecture.com : http://www.architecture.com/Images/RIBAHoldings/PolicyAnd

InternationalRelations/SustainabilityHub/1-2-1-2-Stackventilation/1-2-1-2- stack-ventilation-volumeflowcalculator.gif

autodesk Sustainability Workshop : http://sustainabilityworkshop.autodesk.com/bruxelles environnement, guide bâtiment Durable : http://guidebatimentdurable.

bruxellesenvironnement.beuniversité catholique de louvain (cellule de Recherche en architecture et climat),

Site Energie + : http://www.energieplus-lesite.becommercial Windows : www.commercialwindows.orgEti construction : http://publications.eti-construction.fr/fiches/performance-

energetique-des-batiments-a-renover-dt23/diagnostiquer-l-inertie-thermique- d-un-batiment-0305/

Heimler : http://heimlerheatcoolplumb.com/wet-basement_crawlspace.phpJS Humidificateurs : www.jshumidificateurs.frOutils Solaires : http://outilssolaires.com« Renewable Energy for the Poor Man » : http://poormanguides.blogspot.fr/2009/06/

solar-air-conditioning.htmlSpécialistes air : http://www.specialistes-air.com/choisir-ventilateur-plafond.html#

ventilateur-plafonduniversité Polytechnique de Hong Kong, Département d’Ingénierie des Services

du bâtiment : http://www.bse.polyu.edu.hk/Staff/becmmak/CFD-windcatcher.html

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Chapitre 4Éclairage naturel et intégration avec éclairage artificiel

Intégrer l’éclairage naturel dans la conception du bâtiment est une étape importante pouvant permettre de réduire la facture énergétique et d’assurer un meilleur confort

visuel pour les occupants, la lumière naturelle présentant notamment d’excellents rendus et températures de couleur. Nous avons déjà rappelé (Chapitre 2) certains principes physiques devant être pris en considération, tels que la distribution de la luminance et le facteur en lumière du jour. Nous allons voir ci-dessous comment ces principes peuvent être utilisés dans la conception du bâtiment.

4.1 Modèle ciel couvert de la Commission Internationale de l’éclairage

Le niveau d’éclairage naturel d’un site donné va dépendre de deux facteurs : le rayon-nement du soleil direct et réfléchi d’une part, et la lumière diffuse du ciel d’autre part. La meilleure stratégie consiste néanmoins à utiliser la composante diffuse, qui, bien qu’étant moins puissante que la composante directe du soleil, présente un rendement lumineux (lumens par Watt) plus élevé et limite les risques d’éblouissement.

Cette composante peut être anticipée via l’utilisation de modèles numériques, dontlepluscourantestlemodèlecielcouvert(StandardOvercastSkyModel)delaCommission Internationale de l’éclairage (CIE).

Ce modèle suppose une distribution uniforme de la luminance1 à travers un ciel couvert (nuageux). Les valeurs de luminances peuvent être basées sur des simulations numériques, pratiques (illustration ci-dessous) ou sur des relevés sur une période représentative.

1. Flux lumineux réfléchi rapporté à l’aire de la surface réfléchissante, en candela par m², voir chapitre 2.

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Illustration 4.1 : Reproduction de l’éclairement du ciel en utilisant des boites équipées de miroirs et des lampes tubulaires fluorescentes

Source : BRE, 1994.

La distribution de la luminance à travers le ciel peut ainsi être calculée en utilisant l’équation ci-dessous :

(1) (1 2sin )

3φ

=+

φLLz

Où,• Lφ = luminance (candela par m²) à l’angle φ au-dessus de l’horizon ; et• Lz=luminanceauzénith(illustrationci-dessous).

Illustration 4.2 : Distribution angulaire de la luminance dans le modèle ciel couvert

Source : ENERGIES 2050, d’après Université De Montfort, 2011.

Selon ce modèle, la luminance s’accroît donc à mesure que l’on s’éloigne de la ligne d’horizon et que l’on se rapproche du zénith. En suivant l’équation (1), on peut ainsi déterminer que la luminance au zénith sera trois fois supérieure à celle de l’horizon (où φ=0 donc sinφ=0). Ce ratio s’accroît généralement avec la présence de différentes obstructions telles que la végétation, la topographie ou l’urbanisation.

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4.2 Application au bâtiment : évaluation de l’angle de ciel visible et facteur de lumière du jour

Pour estimer la luminosité reçue dans une pièce du bâtiment, il est donc nécessaire de déterminer l’angle de ciel visible (θ) depuis la fenêtre ou l’ouverture dans la façade.

Illustration 4.3 : Évaluation de l’angle de ciel visible

Source : ENERGIES 2050, d’après www.educate-sustainability.eu (consultation novembre 2014).

Pour un nouveau bâtiment, il est généralement utile de faire appel à des logiciels permettant d’intégrer les différentes obstructions locales à la lumière. Par ailleurs, si l’emplacement de l’ouverture n’a pas encore été décidé, il est conseillé de prendre les mesures directement depuis le centre de la façade extérieure.

L’évaluation de l’angle de ciel visible est particulièrement importante pour calculer le facteur de lumière du jour moyen, qui comme indiqué dans le chapitre 2, peut être estimé en suivant l’équation suivante2 :

(2) FLJmoy = Sf . TL . a / (St . (1 – R²))Où,• FLJmoy = rapport entre l’éclairement naturel intérieur moyen (en lux) au niveau

du plan de travail, rapporté au niveau d’éclairement par ciel couvert sur une surface parallèle à l’extérieur, exprimé en pourcentage (voir chapitre 2 pour plus de détails) ;

• Sf=surfacenettedevitrage(ouverturedebaiesmoins10%pourleschâssis)en m² ;

• TL=facteurdetransmissionlumineuseduvitrage;• a=angleducielvisibledepuislafenêtre,expriméendegrés;• St=surfacetotaledetouteslesparoisdulocalconsidéréenm²;et• R=facteurderéflexionmoyendesparois.

2. Université Catholique de Louvain, Energie + (consultation novembre 2014).

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Il est possible de voir, à travers cette équation, que la taille des ouvertures Sf, le type de vitrage ou encore les coefficients de réflexion moyens peuvent être modifiés afin d’atteindre la valeur de FLJmoy recherchée. L’objectif sera différent selon l’utilisation du bâtiment et le site mais des valeurs minimums allant de 1 à 2 % sont généralement recommandées.

Tableau 4.1 : valeurs recommandées des FlJmoy selon les bâtiments et les activités (Royaume-uni)

Type de bâtiment/utilisation FlJmoy recommandés

Chambre 0,5 % aux ¾ de la profondeur de la chambre

Bureaux 2 % minimum

Salle de classe 2 % minimum

Cuisine 2 % à la moitié de la profondeur de la cuisine

Salon 1 % à la moitié de la profondeur du salon

Usine 5 % minimum

Église 1 % minimum

Source : Université De Montfort, 2011.

Il conviendra néanmoins de tenir compte également de la répartition de l’éclaire-ment dans la pièce afin de limiter les risques d’inconfort visuel.

Tableau 4.2 : Exemples de niveaux d’éclairement à maintenir au niveau de la zone d’activité et au niveau des zones environnantes, bâtiments non domestiques (normes européennes)

Type d’activité Éclairement conseillé Éclairement des zones environnantes à la zone d’activité

Différence max.

Écriture 500 lux 300 lux 200 luxDessin industriel 750 lux 500 lux 250 luxSalle de réunion 500 lux 300 lux 200 luxRéception 300 lux 200 lux 100 luxArchives 200 lux 200 lux 0Classement 300 lux 200 lux 100 luxSource : Sonepar (sans date).

Selon ces normes, pour une luminance sur surface parallèle au plan de travail à l’extérieur estimée par exemple à 25000 lux, les Facteurs de Lumière du Jour à obtenir seront donc de 2 % en zones d’écriture et salles de réunion et de 3 % en zones de dessin industriel.

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4.3 Facteurs impactant le FLJmoyUne fois l’objectif fixé, il sera possible d’influer sur le FLJmoy de diverses manières. Celui-ci dépend, pour rappel, de trois composantes : l’éclairage direct du ciel, celui réfléchi par les objets et immeubles extérieurs et celui réfléchi par des composants intérieurs.

4.3.1 Réflexion des paroisL’utilisation de surfaces à plus haut coefficient de réflexion peut permettre d’obtenir une plus grande luminosité et une meilleure répartition de la lumière naturelle dans une pièce. L’illustration ci-dessous montre une simulation de l’impact sur les FLJ d’un accroissement du coefficient de réflexion des murs intérieurs, de 50 à 70 %.

Illustration 4.4 : Effet des parois sur le facteur de lumière du jour

Source : ENERGIES 2050, d’après Smith B.J. et al., 1982, p. 406.

Onpeutainsiconstatersurleschémadedroite(coefficientderéflexionplusélevé)une meilleure répartition de la lumière avec un gradient moins prononcé et une lumi-nosité plus élevée à mesure que l’on se rapproche du fond de la pièce.

4.3.2 Choix du type de fenêtresLe type de fenêtres sélectionné, et notamment leur facteur de transmission lumineuse, aura un impact sur la quantité de lumière reçue à l’intérieur du bâtiment. Des coeffi-cients de correction sur la quantité de lumière entrante doivent donc être appliqués (pris en compte via TL dans l’équation 2), ceux-ci variant en fonction du type de matériel (Tableau ci-après).

Si l’utilisation de double vitrage ou de vitrages teintés est parfois nécessaire d’un point de vue du confort thermique et visuel, cela devra donc être balancé avec les objec-tifs d’éclairage naturel du bâtiment.

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Tableau 4.3 : Exemple de coefficients de correction en fonction du type de matériel

Matériel Facteur de correction (Tl)

Vitre transparente – 6mm 0.8Vitre teintée en gris – 6mm 0.39Vitre teintée en vert – 6mm 0.66Vitre à fort coefficient de réflexion – 6mm 0.18Double vitrage vitres transparentes – 6+6 mm 0.65Double vitrage vitre réfléchissante et vitre transparente – 6+6 mm 0.26Double vitrage vitre fortement réfléchissante et vitre transparente – 6+6 mm 0.15Source : Université De Montfort, 2011.

Taille des fenêtres et ouverturesLa taille des fenêtres aura une grande influence sur la quantité de lumière entrante dans la pièce. Plus celle-ci est élevée, plus l’entrée de lumière naturelle sera importante. Sans tenir compte de l’impact sur la thermie du bâtiment, une méthode permettant de déterminer la taille optimale d’une ouverture consiste à utiliser l’équation suivante3 :

(3) WWR > 0,088FLJcTL * (90°/φ)Où,• WWR(WindowtoWallRatio)=ratiodelatailledesfenêtres(horscadreset

meneaux) rapportée à la surface de la paroi extérieure ;• FLJc=facteurdelumièredujourciblé;• TL=transmittancevisuelleduvitrage;et• φ est l’angle de ciel visible.En réalité, il conviendra de limiter la taille des ouvertures en fonction notamment

des objectifs de confort des occupants et de leur intimité.

Encadré 4.1 : Limites du FLJmoy

L’utilisation du Facteur de lumière du jour moyen présente certaines limites notamment pour les pièces ayant une grande profondeur, ne tenant pas compte :

• delarépartitiondesfacteursdelumièredujourlelongdelapièce:mêmeen atteignant le FLJmoy ciblé, la luminosité près des ouvertures peut rester trop élevée tout en étant trop basse dans d’autres parties de la pièce, avec des conséquences négatives en termes de confort visuel ;

3.UniversitédeHarvard,2009,p.11.

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• dudegrédepénétrationdelalumièreducieldanslapièce,certaineszones pouvant ne pas recevoir d’éclairage direct ;

• del’étenduedel’espaceoùlalumièredujourestutilisable.

Il est possible, par exemple, d’évaluer la profondeur maximale d’une pièce (purement du point de vue de l’éclairage naturel) en fonction de la hauteur des fenêtres, grâce à l’équation suivantea :

(4) PL = {2/(1­RMOY)} / {(1/w)+ 1/h}

Où,

• PL=profondeurmaximale(m);

• RMOY = la réflectance moyenne de la surface (sans dimension) ;

• w=lalongueurdelachambre(m);et

• h=hauteurmesuréedepuislehautdelafenêtre(m).

La surface de vitrage nette (AVIT)requise(enm²)selonl’espaceàéclairerpeut alors être déterminée via l’équationb :

(5) AVIT = [FLJc*2Atot(1­RMOY)]/(TL*φ).

Où,

• Atot=airetotaledesespacesintérieursincluantlesfenêtres,enm²;

• TL=transmittancevisuelleduvitrage;et

• φ = angle de ciel visible (°).

a. Université de Harvard, 2009.b. Université de Harvard, 2009.

4.4 Méthodes d’amélioration de la répartition de la lumière

Afin d’obtenir un meilleur rendu dans l’éclairage naturel d’une pièce, différentes solutions existent.

4.4.1 Changer la disposition des fenêtresEn modifiant la position des fenêtres, il est possible d’obtenir de meilleurs rendus sans augmenter la taille des ouvertures. L’illustration ci-dessous montre l’évolution des fac-teurs de lumière du jour au sein d’une pièce en fonction de l’utilisation de larges

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fenêtres latérales (à gauche) ou de la mise en place d’une fenêtre de toit ou d’un puits de lumière de dimension inférieure (à droite) :

Illustration 4.5 : Simulation de répartition des facteurs de lumière du jour en fonction de deux types d’ouvertures

Source : ENERGIES 2050, d’après Smith B.J. et al., 1982, p. 371.

Le second modèle apporte une bien meilleure répartition et surtout une amplitude moins large (6 % contre 18 %) entre les zones les moins éclairées et celles les plus éclai-rées. Cela permet de réduire les risques d’inconforts visuels et d’éblouissement, et d’agrandir la zone d’éclairement utile pour des activités diverses, malgré une luminosité globale plus faible. Cette flexibilité dans le choix des ouvertures peut aussi permettre une meilleure intégration de l’éclairage naturel avec les objectifs de confort thermique et de ventilation naturelle.

4.4.2 Utiliser des étagères à lumièreLes étagères à lumière (plateaux couverts de film réfléchissant comme l’aluminium) sont une solution couramment recommandée pour faciliter la pénétration de lumière au sein d’une pièce. Ce système doit dans l’idéal être conçu pour obtenir une meilleure distri-bution de la lumière naturelle et protéger contre l’éblouissement direct. L’étagère peut être installée aussi bien sur l’extérieur que l’intérieur, ou à cheval entre les deux rebords d’une fenêtre.

Illustration 4.6 : Étagère à lumière

Source:ENERGIES2050,d’aprèslesiteMcGrawHillConstructionContinuingEducation (consultation novembre 2014).

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À noter que l’efficacité des étagères à lumière dépendra également des coefficients de réflexion des surfaces intérieures, notamment au niveau du plafond. La largeur et l’emplacement des étagères doivent par ailleurs être étudiés avec précaution afin qu’elles puissent, entre autres, limiter les risques d’éblouissement sans bloquer la vue. Il est possible d’ajuster leur taille et leur inclinaison afin d’obtenir un meilleur rendu, ou d’utiliser certaines alternatives comme des stores à lamelles verticales réfléchissantes. En milieu tropical, les étagères à lumière auront enfin une efficacité réduite sur les façades EstetOuestenraisondel’angled’incidenceplusplatdusoleilaveccesfaçades.

Encadré 4.2 : Études des effets des étagères à lumière à Dhaka, Bangladesh

Dans une simulation sur l’efficacité de ces outils en fonction de la hau­teur à laquelle ils sont placés dans un bâtiment à Dhaka, au Bangladesha, il a été constaté une réduction globale dans les valeurs de luminances maximums et minimums reçues au sein de la pièce, comme le montre le tableau suivant :

Tableau 4.4 : Évaluation de l’impact des étagères à lumière en fonction de la hauteur à laquelle elles sont installées, bâtiment à Dhaka, au bangladesh

Hauteur des étagères en mètres

Éclairement maximum

en lux

Éclairage moyen en lux

nombre de points d’analyse avec valeurs supérieures à 300 lux

(sur 83)

nombre de points d’analyse avec valeurs entre 300 et 900 lux

(sur 83 au total)

Aucune étagère 2 600 650 40 221,50 1 700 466 39 221,75 1 400 370 39 262 1 300 315 37 352,25 1 500 367 34 222,50 1 700 422 31 152,75 2 000 478 30 13

Source:AshikurRahmanetal.,2009.

Dans cette étude, une meilleure répartition de la lumière a effectivement été obtenue avec des étagères placées à 2 mètres de hauteur. Le niveau de luminance recherché (300 à 900 lux selon leurs standards) a ainsi été mesuré en 35 points de la pièce contre seulement 22 sur 83 sans éta­gères. La plupart des autres niveaux ont cependant montré des résultats

a. Ashikur Rahman et al., 2009.

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limités voire négatifs. D’autres études ont confirmé la propension des étagères à lumière à réduire les écarts de luminance au sein d’une pièce mais également à réduire l’éclairement globalb.

Illustration 4.7 : Effet des étagères à lumière sur les facteurs de lumière du jour en fonction de la profondeur de la pièce

ENERGIES 2050, d’après BRE, 1997.

b. BRE, 1997.

4.4.3 Autres éléments intégrés dans la structure du bâtiment

D’autres solutions peuvent être également intégrées dans la structure même du bâti-ment, telles que les atriums, les puits de lumière ou l’utilisation d’un système anidolique au niveau du plafond ou des parois. Les apports solaires liés à ces systèmes pourront néanmoins être conséquents et devront être pris en compte.

Un système anidolique utilise des réflecteurs spéculaires courbes afin de profiter de la lumière diffuse du ciel, ce qui peut permettre une augmentation des FLJ y compris dans les profondeurs de la pièce (illustration 4.8).4 Une toiture voûtée permettra fina-lement d’annuler l’effet directif de la lumière (illustration 4.9).

Illustration 4.8 : Effet de l’utilisation d’un système anidolique

Source : CERN solar club, http://solar-club.web.cern.ch/solar-club/Textes/SEV/sev1701.html (consultation novembre 2014).

4. Courret G. et al.

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Illustration 4.9 : Effet directif annulé par toiture voûtée

Source : Solener, 2014.

4.5 Masques solaires et apports thermiquesL’utilisation d’un diagramme solaire (voir Chapitre 1) peut permettre de mesurer l’impact direct des rayonnements du soleil sur les fenêtres et ouvertures. En climat tropical, cet impact résultera très souvent dans des apports de chaleur non désirés et un risqued’éblouissement(façadesEstetOuestparticulièrement).L’objectifprincipalseradonc moins d’intégrer ces rayonnements directs dans l’éclairage naturel que de s’en protéger au travers de moyens divers : rideaux, stores, volets, miroirs, fenêtres teintées, avant-toits, ou encore étagères à lumière. Afin de mieux anticiper ces rayonnements, le diagramme solaire peut par ailleurs être combiné avec un relevé de masque de l’environnement immédiat, tel qu’illustré ci-dessous.

Illustration 4.10 : Effet de masque

Source : ENERGIES 2050, d’après www.energies-eco-renouvelables.fr (consultation novembre 2014).

4.5.1 Protections extérieuresLes apports d’énergie solaire sont généralement mieux contrôlés via l’utilisation de protections extérieures au niveau des fenêtres et des parois. Ces protections peuvent par

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exemple prendre la forme de simples surplombs (à gauche sur l’illustration) plus ou moins modulables et inclinables selon les objectifs, des persiennes verticales ou horizontales (centre) ou une combinaison des deux. Il est également important de prendre en considération l’isolation de ces éléments afin d’éviter qu’ils ne se réchauffent et transmettent cette chaleur vers le vitrage et l’intérieur du bâtiment.

Illustration 4.11 : Types de protections extérieures des fenêtres

Source : ENERGIES 2050, d’après Chang S. et Krueger B., 2008.

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En régions tropicales et avec une conception réalisée en fonction des trajectoires du soleil, une préférence devra être donnée aux protections en surplomb ou auvent sur les façades exposées au Nord et au Sud, et éventuellement aux protections totales style persiennessurlesfaçadesEstetOuest,mêmesicesprotectionsnepermettentpasl’entrée du flux diffus.

Illustration 4.12 : utilisation d’un auvent pour bloquer le rayonnement direct

Source : Solener, ADEME, 2014, illustration redessinée par ENERGIES 2050.

4.5.2 Protections intérieures et fenêtresLes protections intérieures comprennent les rideaux plus ou moins opaques, les stores enroulables, plissés, vénitiens ou à lamelle ou encore les films opaques. L’avantage est notamment de pouvoir les adapter facilement depuis l’intérieur, en fonction des besoins, de la trajectoire du soleil et de l’heure (par exemple store quasiment fermé sur les fenêtres exposées à l’Est en matinée, ouvert dans l’après-midi, et inversement àl’Ouest).

Illustration 4.13 : variation des coefficients de transmission lumineuse d’un store vénitien de 16mm

Source : Université Catholique de Louvain, site Energie + (consultation novembre 2014).

Une troisième méthode consiste à moduler l’entrée de lumière en changeant les vitrages. Pour rappel, le rayonnement du soleil est composé en partie de lumière visible mais également d’infrarouges qui entrent dans le bâtiment via les fenêtres et se trans-forment en chaleur au contact des murs et des objets, créant ainsi un effet de serre.

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Illustration 4.14 : Répartition spectrale de différents vitrages en fonction de la teinte (rayons uv à gauche du spectre visible, infrarouges à droite)

Source : Gratia E., Université catholique de Louvain (consultation du site novembre 2014).

Le but d’un vitrage performant sera donc de limiter les apports solaires en blo-quant au maximum les infrarouges, tout en laissant passer la partie visible du spectre lumineux. Le tableau suivant donne de plus amples détails sur les coefficients de trans-mission de la lumière visible (en pourcentage de celle à l’extérieur) et les coefficients de gains de chaleur (facteur solaire) de certains modèles.

Tableau 4.5 : Propriétés de modèles de fenêtres en termes de transmission de la lumière visible et des apports de chaleur

coefficients de transmission de la lumière visible/apports de chaleur, en pourcentages

Système de vitrage Transparente Teinte bleu-vert grise Réflective

Simple (6mm) 89/81 75/62 43/56 20/29Double vitrage (6+6) 78/70 67/50 40/44 18/21Double, revêtement dur à faible émissivité, argon

73/65 62/45 37/39 17/20

Double, revêtement mou à faible émissivité, argon

70/37 59/29 35/24 16/15

Triple, revêtement dur à faible émissivité, argon

64/56 55/38 32/26 15/17

Triple, revêtement mou à faible émissivité, argon

55/31 52/29 30/26 14/13

Source : Robertson K. (sans date), p. 16.

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Certains doubles vitrages transparents laissent ainsi passer 70 % de la lumière visible, pour un facteur solaire réduit à 37 % seulement (données généralement fournies par le fabricant).

À noter que les gains thermiques peuvent évoluer en fonction du choix des cadres et des meneaux : ceux-ci peuvent être une source importante de transferts thermiques qui doivent particulièrement être évités au sein de bâtiments climatisés (ajout de charges frigorifiques, voir chapitre 5). Il est donc conseillé d’utiliser dans ces cas des matériaux à faible conductivité thermique tels que le bois, le vinyle ou la fibre de verre5.

Encadré 4.3 : Conseils pour l’intégration des protections solaires

• Dans lecasde l’utilisationdefenêtresà faiblecoefficientdetrans-mission de la lumière visible, il est conseillé d’opter pour des protec­tions extérieures plutôt qu’intérieures car celles­ci perdront alors en efficacité.

• Lesauvents,lanterneauxouétagèresàlumièresontd’excellentespro­tections contre les rayonnements solaires en milieu de journée mais moins en matinée et en après­midi. Ils ont également d’importants effets en termes de luminosité entrante.

• L’utilisationdecesprotectionsinfluesurlesapportsdechaleuretdoitdonc être considérée dans le dimensionnement des installations d’air conditionné, si applicable.

• L’utilisationdeprotectionsextérieureset ledimensionnementdesfenêtres doivent être pesés en fonction des objectifs de ventilation et d’éclairage naturels, de leurs coûts et des bénéfices escomptés tout au long du cycle de vie du bâtiment.

• Lesprotections intérieuressontgénéralement lesmoinsefficaces,surtout du point de vue des apports thermiques. Le choix des cou­leurs, du type de protection et de la modularité du système seront des paramètres importants à considérer.

4.6 Intégration avec la lumière artificielleD’autres méthodes permettent de réduire la demande en lumière artificielle, un enjeu d’autant plus important que le ratio entre lumière utile et énergie consommée pour la produire est faible : moins de 1 % de l’énergie primaire utilisée par les centrales élec-triques fonctionnant au charbon est ainsi effectivement convertie en lumière utile6.

5. Robertson K. (sans date), p. 16. 6. Université De Montfort, 2011.

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Trois éléments sont à considérer dans une stratégie d’éclairage artificiel intégrée : le choix des ampoules, le choix des luminaires et les stratégies de contrôle.

4.6.1 Choix des ampoules et luminairesLe choix d’une lampe doit se fonder en fonction des besoins sur plusieurs critères à savoir :

• sa puissance, en Watt ;• son efficacité lumineuse, en lumens par Watt. Plus cette valeur est grande,

plus la lampe possède de capacités d’éclairage à puissance donnée ;• sa durée de vie, généralement plus élevée pour les ampoules ayant une

efficacité lumineuse plus réduite ;• sa température de couleur (ou température de couleur corrélée), en degrés

Kelvin : une couleur froide correspond à une température de couleur élevée et inverse-ment. À titre d’exemple, la lumière naturelle au coucher du soleil produit environ 2000 K (degrés Kelvin), contre 20000 K en journées ensoleillées ;

Illustration 4.15 : Dégradé des températures de couleur et correspondance en degrés Kelvin

Source : Dorn J. via Wikipédia (consultation du site novembre 2014).

• son Indice de Rendu des Couleurs (IRC, ou RA selon la norme CIE), qui caractérise la capacité d’une lampe à restituer la couleur de l’objet qu’elle éclaire, avec des notes allant de 0 à 100 (100 correspondant à la lumière du jour, un indice minimum de 75 à 80 étant recherché pour un bon rendu) regroupées dans des catégories allant de 4 à 1a et 1b. Des activités demandant un excellent rendu de couleur nécessiteront l’utilisation d’ampoules 1a, alors que les groupes inférieurs (moins chers, plus éco-nomes et avec une durée de vie supérieure) devront être privilégiés lorsque les activités le permettront.

Tableau 4.6 : Valeur des plages d’IRC et correspondance en perception des couleurs

Plage d’IRC Perception des couleurs

Ra < 25 Faible25 <Ra < 65 Moyenne35 < Ra < 90 Bonne

90 < 90 Élevée

On définit des classes d’IRC en fonction de la plage d’IRC :

Classe d’IRC IRC

1A Ra > 901B 90 > IRC > 802 80 > IRC > 603 60 > IRC > 40

Source : Energetic, www.labo-energetic.eu (consultation novembre 2014).

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On distingue généralement quatre types d’ampoules : les ampoules à incandes-cence, les lampes halogènes, les tubes et lampes fluorescents et les lampes LED.

4.6.1.1 Ampoules à incandescenceCette technologie, utilisée depuis le 19e siècle, est aujourd’hui appelée à disparaître pour des modèles plus efficaces. Le fonctionnement est basé sur un filament de tungstène placé dans une enveloppe de verre généralement remplie de gaz inerte tel que l’argon, le krypton ou le zénon. Le tungstène est porté à incandescence par le passage d’un courant électrique, ce qui a pour effet de l’éclairer et de produire de la lumière.

Illustration 4.16 : Ampoule à incandescence

Source : http://controverses.sciences-po.fr/archive/ampoules/index.php/pour-debuter/les-differents-types-de-lampes/ (consultation décembre 2015).

L’efficacité est assez faible (13lm/W, avec une fourchette de 9 à 17) avec 95 % de l’énergie consommée transformée en chaleur, et une température de l’ampoule pouvant s’élever à plus de 150°C. Sa durée de vie est également inférieure aux autres modèles, 1000 heures en moyenne, 1500 heures maximum7.

4.6.1.2 Les lampes halogènesDans ce type de lampe un gaz de la famille des halogènes (fluor, iode) se combine avec le tungstène et se dépose sur le filament. L’augmentation de la température permet un accroissement de sa durée de vie et également des économies d’énergie de 30 à 50 % comparativement aux lampes à incandescence. Sa luminosité est plus élevée également mais son usage peut être coûteux8.

7. Sources diverses, voir notamment : http://controverses.sciences-po.fr/archive/ampoules/index.php/pour-debuter/les-differents-types-de-lampes/ (consultation décembre 2015).

8. http://controverses.sciences-po.fr/archiveindex/ (consultation décembre 2015).

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4.6.1.3 Les tubes et lampes fluorescents et fluocompactesAmené à remplacer progressivement les lampes à incandescence, le système de lampes fluorescentes repose sur l’interaction entre les électrodes émis par deux filaments de tungstène et des atomes de mercure. Cette interaction crée un rayonnement ultraviolet qui est converti en lumière visible par la couche fluorescente présente sur la face interne du tube.

Illustration 4.17 : Représentation schématique d’un tube fluorescent

Source : Université Catholique de Louvain, site Energie + (consultation novembre 2014).

4.6.1.4 Les lampes à LEDEnfin, les lampes à LED (Light Emitting Diode) utilisent une diode électrolu-minescente pour transformer l’électricité en lumière. Ces ampoules ont un très bon rendement de lumière par rapport à l’énergie qu’elles consomment, chauffent peu et ont une durée de vie assez longue (jusqu’à 100 000 heures) 9.

Illustration 4.18 : Exemples de lampes à LED

Source : Inovelec (consultation novembre 2014).

9. http://controverses.sciences-po.fr/archive/ampoules/index.php/pour-debuter/les-differents-types-de-lampes/ (consultation décembre 2015).

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Tableau 4.7 : comparatif des différents types d’ampoules

PERFORMancES DES DIFFÉREnTES laMPES

Type de lampe Puissance (W)

Flux lumineux (lm)

Efficacité lumineuse

(sans ballast) (lm/W)

Indice de rendu des couleurs

(IRc)

Température de couleur

(K)

Durée de vie moyenne

(h)

Incandescente 25 à 500 220 à 8 200 9 à 16 100 2 700 1 000Halogène 40 à 2 000 500 à 50 000 12,5 à 25 100 3 000 2 000Tube fluorescent 14 à 58 1 150 à 5 200 64 à 104 60 à 90 2 700 à 6 500 14 000 à 18 000Fluocompacte 5 à 55 200 à 4 800 39 à 87 80 2 700 à 4 000 8 000 à 13 000Led 2 à 7 5 à 20 50 70 à 85 2 700 à 6 500 50 000 à 100 000Source : www.systemed.fr (consultation novembre 2014).

Le choix du type d’ampoule devra donc dépendre de tous ces facteurs et de la luminosité recherchée dans les pièces du bâtiment.

Illustration 4.19 : Relation entre éclairement et température de couleur, et recommandations pour bureaux

Source : www.labo-energetic.eu (consultation novembre 2014).

4.6.1.5 LuminairesUn autre élément à considérer et pouvant impacter la consommation énergétique est le choix des luminaires. Le tableau ci-dessous donne quelques indications sur les différents types de luminaires à adopter en fonction de l’utilisation.

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Table

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4.6.2 Méthodes de contrôleIl existe enfin un certain nombre de méthodes de contrôle permettant d’améliorer les performances globales de l’éclairage artificiel et son intégration avec l’éclairage naturel. Celles-ci peuvent notamment se résumer en :

• Choisiravecsoinlalocalisationdesinterrupteurs:plusceux-cisontacces-sibles et positionnés près des zones à éclairer, plus les occupants seront enclins à les utiliser pour moduler l’utilisation de la lumière artificielle en fonction de leurs besoins ;

• Privilégierleslampesquipeuventêtreéteintesoualluméesàunniveaulocal,plutôt qu’un éclairement centralisé qui peut amener des gaspillages et un manque de flexibilité ;

• Optersipossiblepourdesméthodesautomatiquespermettantparexemplel’arrêt de l’éclairage dans les bureaux aux périodes creuses de la journée (repas ou soirées) ;

• Installerdesminuteurspouréviterquedeslumièresnerestentalluméessurde longues périodes d’inactivité. De la même manière, un détecteur de présence peut permettre de n’éclairer une pièce que lorsque celle-ci est effectivement utilisée ;

• Installerdesdétecteursdeluminosité:leslumièresnes’allumentquelorsquele niveau d’éclairement requis n’est pas atteint. Cet outil est particulièrement conseillé si le bâtiment a été conçu pour un éclairage naturel.

Ces méthodes sont en général peu coûteuses, particulièrement si elles sont inté-grées dès la conception du bâtiment, et peuvent également permettre de meilleures interactions entre éclairage naturel et électrique.

Encadré 4.4 : Choix des équipements et Gestion Technique du Bâtiment

À l’image de l’éclairage, les appareils électriques sont la source d’une consommation énergétique importante qui doit être atténuée via :

• lasélectiond’appareilsefficients,ens’appuyantsurlesstandardsdeperformances, et

• unebonnegestiondesappareils,etnotammentde leurtempsdeveille, qui peut représenter une part importante de la consommation énergétique totale de l’appareil.

Le choix des appareils électriques pourra être combiné à un système de comptage énergétique pour faciliter le suivi de consommation et détecter rapidement de potentielles défaillances, ou, pour les grandes structures, à l’installation d’une Gestion Technique du Bâtiment (GTB). La GTB est un système informatique permettant de superviser l’ensemble des équipements d’un bâtiment, notamment l’alimentation électrique, l’éclairage, les systèmes d’air conditionné, la plomberie ou encore la vidéosurveillance, et donc de rationaliser au mieux les différents pôles de consommation.

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Tableau 4.9 : classe d’efficacité de différents appareils et consommation moyenne en fonction de celle des appareils achetés au début des années 90

Source : Groupe Inter Mutuelles Assistance (consultation du site novembre 2014).

4.6.3 Autonomie en lumière du jourUne représentation graphique de l’autonomie en lumière du jour (pourcentage de l’éclairage requis fourni par la lumière naturelle) des locaux peut finalement permettre une meilleure intégration avec l’éclairage artificiel. Elle peut également servir, à l’image du zonage thermique, dans l’optimisation des dispositions des différentes pièces.

Illustration 4.20 : Exemple de représentation graphique, autonomie en éclairage naturel

Source : Paule Bernard, 2007.

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Université De Montfort, 2011. Energy in Buildings, module du MSc Climate Change and Sustainable Development, Leicester, UK.

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Sites internet (dernière consultation en novembre 2014) et sources additionnelles des illustrationsCERN solar club : http://solar-club.web.cern.ch/solar-club/Textes/SEV/sev1701.htmlControverses Sciences Po (regroupant de multiples établissements d’éducation

supérieure) : http://controverses.sciences-po.fr/archive/ampoules/index.php/pour-debuter/les-differents-types-de-lampes/

Dorn J., via Wikipédia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Temp%C3%A9rature_de_ couleur

Énergies Éco Renouvelables : http://www.energies-eco-renouvelables.fr/solaire.htmlEnergetic, laboratoire pour éduquer à l’énergie durable : http://labo-energetic.eu/fr/

labo/boite_outils_guide_4.php?PHPSESSID=f066a889e2324b17ddbc 26124378d145

Environmental Design in University Curricula and Architectural Training in Europe : http://www.educate-sustainability.eu/home

Gratia E., Université catholique de Louvain : www.energie2.arch.ucl.ac.be/Groupe Inter Mutuelles Assistance : http://www.imagroupe.eu/fr/rse/changement_

climatique.phpInovelec : http://www.inovelec.com/autres-produits/lampes-ledMcGraw Hill Construction, Continuing Education, Daylighting in School : http://

continuingeducation.construction.com/article_print.php?L=48&C=252Système D : http://www.systemed.fr/Territorial.fr : http://www.territorial.fr/PAR_TPL_IDENTIFIANT/4925/TPL_

CODE/TPL_OVN_CHAPITRE_FICHE/2690-consultation-guide-de-l- eclairage-public-voirie-et-batiments.htm

Université Catholique de Louvain (Cellule de Recherche en Architecture et Climat), Site Energie + : http://www.energieplus-lesite.be

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Chapitre 5Systèmes d’air conditionné et climatisation

La demande énergétique associée aux systèmes de climatisation et d’air conditionné est aujourd’hui estimée à plus de 1000 milliards KWh au niveau mondial (près

de deux fois la consommation totale du continent africain)1 et représente pour certains pays tropicaux plus de 30 % de leur facture énergétique2. Cette demande devrait pour-suivre sa croissance actuelle, notamment sous l’effet de la rapide urbanisation des pays du Sud et en réponse au réchauffement climatique. Une bonne gestion dans ce domaine est donc un enjeu majeur du bâtiment durable.

Illustration 5.1 : Projection du nombre de systèmes d’air conditionné dans les provinces chaudes de chine

Source : Koizumi S., 2007 (illustration redessinée par ENERGIES 2050).

5.1 Évaluation des besoins frigorifiquesUn système d’air conditionné permet de contrôler les conditions climatiques d’un bâti-ment en s’assurant du renouvellement de l’air et en y régulant la température et le degré d’hygrométrie. Si les stratégies passives peuvent permettre de diminuer ces besoins, l’air conditionné peut néanmoins s’avérer indispensable pour garantir le confort des occu-pants en climat tropical. Si tel est le cas, il est déterminant qu’il soit conçu et calibré pour répondre à des besoins spécifiques : un surdimensionnement aura des effets

1. Dahl R., 2013. 2. Ahmadul Ameen, 2005.

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négatifs sur les futures dépenses énergétiques et sur les coûts de construction, tandis qu’un sous dimensionnement ne permettra pas d’atteindre les objectifs fixés en termes de confort thermique.

L’évaluation des charges frigorifiques passe par une analyse complexe de la thermie du bâtiment, ce qui requiert généralement l’intervention d’un spécialiste. Le guide sur l’efficacité énergétique de la climatisation en régions tropicales3, publié par l’Institut de la Francophonie pour le Développement Durable (IFDD, anciennement dénommé Institut de l’Énergie et de l’Environnement de la Francophonie – IEPF –), propose néanmoins une procédure simplifiée que nous allons reprendre ci-dessous. Cette pro-cédure a été conçue dans le cadre d’une évaluation portant sur un ensemble de pays tropicaux d’Afrique, et il conviendra donc de calibrer certaines données en fonction de la localisation du site.

Encadré 5.1 : Quand utiliser une climatisation artificielle ?

Si l’objectif premier est de privilégier le refroidissement naturel et de limiter les apports thermiques grâce à une bonne conception du bâti­ment, se passer entièrement des systèmes de climatisation artificielle n’est pas toujours réalisable. Cela sera notamment le cas si les systèmes de climatisation naturelle s’avèrent inadaptés pour traiter l’espace inté­rieur, par exemple en cas de forts apports internes (taux d’occupation élevé, nombreuses machines) ou d’obstacles importants à la ventilation naturelle. L’objectif sera alors de limiter les charges et d’opter pour le système actif le plus efficace et adapté au bâtiment.

Nous verrons par ailleurs comment les principaux éléments du design passif présentés précédemment s’intègrent dans l’évaluation thermique du bâtiment. Ces éléments comprennent notamment :

• Les caractéristiquesde l’enveloppe: typesdematériaux, caractéristiques thermiques, dimensions et plans d’architectes ;

• L’orientationdubâtimentetlescouleursdesmatériaux;• Lesconditionsextérieures(microclimat,topographie,urbanisation,végéta-

tion, etc.) ;• Lesouverturesdansl’enveloppedubâtiment,essentiellementlesporteset

fenêtres, avec emplacement, caractéristiques, taille et orientation ;• Letyped’éclairage;• Lestauxd’occupationdespiècesainsiqueletyped’activités;

3. Pour un accès au guide complet : http://ifdd.francophonie.org/ressources/ressources-pub-desc.php?id=152 (consultation novembre 2014).

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• L’emplacement des équipements et des réseaux de distribution (eau,ventilation) ;

• L’ensembledesappareilsélectriques,leurscaractéristiques(puissance,duréede vie, fréquence d’utilisation) et leurs emplacements.

Effectuer le bilan thermique du bâtiment en amont peut en cela permettre de créer une meilleure synergie entre stratégies actives et passives d’efficacité énergétique.

5.1.1 Climat local et interaction avec le bâtiment

5.1.1.1 Analyse du climat et zone de confortUne des premières étapes dans l’évaluation des besoins en air conditionné est l’analyse du climat local pour le mois le plus chaud, où les charges seront donc maximales.

Tableau 5.1 : Exemple de caractéristiques climatiques de villes tropicales africaines

Zones climatiques Pays villes de référence

Température sèche [°c]

Température humide [°c]

Direction du vent

vitesse du vent |km/h]

Climat tropical humide

Cameroun Douala 32 29 S-O 7,3Côte d’Ivoire Abidjan 32,5 27,5 S-OouS 9,5

Source : IEPF, 2006, p. 5 et Windfinder (consultation novembre 2014).

Il convient ensuite de définir une zone de confort, généralement valable pour des occupants en tenues légères exerçant des activités sédentaires dans les conditions ambiantes de leurs bureaux climatisés. Nous avons déjà pu évoquer ce point dans la partie sur les diagrammes bioclimatiques (cf. Chapitre 1). À titre d’illustration, des zones de confort avec des températures sèches variant entre environ 24 et 28 degrés (soit un écart de 4 à 8 degrés avec les conditions extérieures présentées ci-dessus) et une humidité relative de 60 à 70 % étaient ainsi définies comme acceptables pour Douala et Abidjan4.

5.1.1.2 Propriétés thermiques du bâtimentLes interactions entre le bâtiment et son environnement dépendront en grande partie des propriétés thermiques des matériaux utilisés dans la construction. Le coefficient de transmissiondechaleurk(W/m²K)àtraverslesparois(parconductionetconvection)peut ainsi être défini par l’équation suivante5 :

(1) ∑ λ

=+ +

k

he

he i

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4. IEPF, 2006. 5. IEPF, 2006 p. 8.

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Où,• he et hi = coefficients globaux de convection (ou de transfert thermique super-

ficiel) sur les murs, respectivement à l’extérieur et à l’intérieur de la paroi (W/mK) ; et• l = coefficient de conductivité thermique de la paroi considérée (W/m²K).Les valeurs de he et de hi (aussi appelés coefficients d’échanges thermiques super-

ficiels) varient peu et sont généralement fournies dans les réglementations thermiques. Des exemples types sont donnés dans le tableau suivant :

Tableau 5.2 : valeurs he et hi en fonction du type de parois

Parois en contact avec l’extérieur Parois en contact avec un autre local, un comble ou un vide sanitaire

Parois vitrées

Murs Plafonds Planchers Murs Plafonds Planchers

He 16,7 20 20 9 20 5,9 16,7Hi 9 11,1 5,9 9 20 5,9 9Source : IEPF, 2006.

5.1.1.3 Orientation des locaux du bâtimentL’exposition d’un local aux radiations solaires dépendra de son orientation et de sa posi-tion dans le bâtiment (nombre de façades exposées), facteurs qui auront donc un impact important sur les futures charges frigorifiques. Le guide sur l’efficacité de la climatisa-tion identifie dans ce cadre 31 types d’orientations possibles, illustrés ci-dessous.

Illustration 5.2 : Types d’orientation des locaux

Source : IEPF, 2006, p. 10.

Les locaux de type 31 (sans façade donnant sur l’extérieur) auront ainsi des charges frigorifiques extérieures inférieures à celles des locaux de type 3 et 7 (exposés Est et Ouest)parexemple.Denouveau,lebilanthermiques’effectueraàl’heureoùleschargesde réfrigération sont maximales pour chaque local. Cette heure sera déterminée en fonction de l’exposition des parois aux radiations et des apports de chaleur internes (personnes, lumières et équipements) prévisionnels.

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5.1.2 Calcul des apports calorifiques

5.1.2.1 Apports de chaleur extérieursOnpeutdistinguercinqsourcesprincipalesd’apportsdechaleurextérieurs,quipeuventêtre estimées en suivant les équations suivantes6 :

Apport de chaleur par transmission à travers les parois extérieures (murs, toit, plafond et plancher) et les vitrages

(2) QR=k.S.∆θOù,• QR = apport de chaleur par transmission à travers les parois extérieures, en W ;• k=coefficientdetransmissionthermiquedelaparoiouduvitrageconsidéré

en W/m²C° ;• S=surfacedelaparoioudelafenêtreconsidérée(m²);• ∆θ = différence de température entre les deux faces (extérieure/intérieure) de

la paroi considérée (K), aux heures les plus chaudes.

Tableau 5.3 : Exemples de coefficients globaux de transmission thermique (k) des parois en W/m²c°

Types de parois Types d’enduits Épaisseurs [cm]

10 15 20

Parpaings creux (agglomérés creux)

Aucun 2,80 2,65 2,43Enduit extérieur et intérieur au béton 2,37 2,20 2,09Plâtres ou carreaux 2,55 2,38 2,26Lattes de bois 1,69 1,64 1,59Panneaux isolants 1,30 1,24 1,18

Béton coulé Aucun 1,75 1,41 1,18Enduit extérieur et intérieur au béton 1,69 1,36 1,14Plâtres ou carreaux 1,59 1,30 1,08Lattes de bois 1,24 1,02 0,84Panneaux isolants 1,02 0,90 0,79

11 22 33

Briquettes de terre Aucun 3,25 2,20 1,62Enduit extérieur et intérieur au béton 3,10 2,50 1,80Plâtres ou carreaux 2,90 2,10 1,50

6. IEPF, 2006 pp. 12-18.

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Tableau 5.3 : Exemples de coefficients globaux de transmission thermique (k) des parois en W/m²c° (suite)

Types de parois Types d’enduits Épaisseurs [cm]

2,5 3,2 3,8 4,4

Portes en bois Châssis simple 3,94 3,36 3,00 2,90Châssis double 1,97 1,86 1,94 1,74

Toitures Tuiles – ardoises – fibrociment Sans solivage 5,80Avec solivage 4,06

Tôle galvanisée ondulée Sans solivage 9,28Avec solivage 4,64

Vitrage simple Châssis en bois 5,0Châssis métallique 5,8

Vitrage double Avec lame d’air de 6mm Châssis en bois 3,3Châssis métallique 4,0

Avec lame d’air de 8mm Châssis en bois 3,1Châssis métallique 3,9

Avec lame d’air de 10mm Châssis en bois 3,0Châssis métallique 3,8

Source : IEPF, 2006 p. 14.

Tableau 5.4 : Différence de température ∆θ entre les différentes faces des parois

Types de parois ∆θ [°c]

Murs extérieurs ensoleillés ∆θ = θe – θi

Murs en contact avec les locaux non conditionnés ∆θ = θe – θi – 3°CPlafond sous comble ventilé ∆θ = θe – θi +3°CPlafond sous comble non ventilé ∆θ = θe – θi + 12°CPlancher sur terre pleine ∆θ = +20°C – θi

Mur en contact avec la cuisine ∆θ = θe – θi + 18°CSource : IEPF, 2006 p. 15.

Les toitures et les fenêtres sont ainsi (tableau ci-dessus) les principales sources d’échanges thermiques avec l’extérieur. En général une plus grande surface vitrée amè-nera donc une plus grande conductivité des parois et donc une plus grande consomma-tion en air conditionné, comme le montre l’exemple ci-après.

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Illustration 5.3 : Relations entre pourcentage de surfaces vitrées des parois et consommation électrique dans 8 bâtiments commerciaux équipés d’air conditionné au cameroun

Source : ENERGIES 2050, d’après Kemajou et al., 2007, p. 3.

Apport de chaleur par rayonnement solaire à travers les paroisLa quantité de chaleur traversant le mur QM en W :

(3) QM = a.F.S.RM

Où,• a = coefficient d’absorption de la paroi recevant le rayonnement (fonction de

la couleur et nature du mur) ;• S=surfacedelaparoi(m²);• F=facteurderayonnementsolaire(partabsorbéeparlasurfaceettransmise

vers l’intérieur du local) ;• RM = rayonnement solaire sur la surface du mur (W/m² – voir tableau 5.7

ci-dessous), qui dépend :– De la latitude sous laquelle le local se trouve ;– De l’orientation du mur ;– De l’heure à laquelle le calcul sera effectué.

Tableau 5.5 : coefficients d’absorption a pour murs et toits

caTÉgORIES DE TEInTES cOulEuRS valEuRS DE a À uTIlISER

Noire Gris foncé, brun sombre, noir 1Sombre Brun, vert sombre, bleu vif, gris clair, bleu sombre 0,8Moyenne Rouge sombre, vert clair, bleu clair 0,6Claire Blanc, jaune, orange, beige, crème, rouge clair 0,4Source : Solener, 2014.

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Tableau 5.6 : Facteur F de rayonnement solaire

K coefficient de transmission thermique de la paroi considérée [W/m20c]

F coefficient du rayonnement solaire

0 01 0,052 0,13 0,154 0,20

N.B : Interpoler pour les coefficients intermédiaires.Source : IEPF, 2006.

Tableau 5.7 : Exemple d’intensité du rayonnement solaire sur murs et vitrages en W/m², latitude 4°nord en février

Heu Hor n S E O n-E n-O S-E S-O

m v m v m v m v m v m v m v m v

7 111 62 53 64 55 71 61 62 53 70 60 62 53 66 57 62 538 263 131 113 146 126 176 152 131 113 173 149 131 113 153 131 131 1139 385 186 160 212 182 249 214 186 160 249 214 186 160 211 182 186 160

10 500 223 191 269 232 298 257 223 191 309 266 223 191 243 209 223 19111 625 258 222 330 284 317 273 258 222 351 302 268 230 258 222 258 22212 686 272 234 359 309 272 234 272 234 333 287 333 287 272 234 272 23413 686 256 220 352 303 256 220 335 288 268 231 380 326 256 220 256 22014 563 216 186 290 249 216 186 335 288 216 186 352 303 216 186 249 21415 395 166 143 207 178 166 143 264 227 166 143 265 228 166 143 206 17716 201 150 129 134 115 150 129 100 86 150 129 103 89 150 129 126 10917 54 31 27 32 27 31 27 33 29 31 27 33 28 31 27 32 28

Source : IEPF, 2006.

Apport de chaleur par rayonnement solaire sur les vitragesLa quantité de chaleur traversant le vitrage QV (W) :

(4) QV = a .g .S .RVOù,• a = coefficient d’absorption du vitrage (sans dimension) ;• g=facteurderéductionquivarieenfonctiondumodedeprotectiondela

fenêtre contre le rayonnement solaire (extérieure, intérieure, vitre teintée, etc.) ;• S=surfacevitrée(m²);• RV = intensité du rayonnement solaire sur les vitrages (W/m²), définie de

façon similaire à Rm.

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Tableau 5.8 : Facteurs de réduction g des fenêtres protégées

Fenêtres protégées couleurs gStores extérieurs en toile Écru 0,28Stores extérieurs en toile Aluminium 0,22Stores intérieurs entièrement baissés Aluminium 0,45Stores intérieurs à moitié baissés Blanc ou crème 0,63Persiennes entièrement baissées à l’intérieur des fenêtres Aluminium 0,58Persiennes entièrement baissées à l’extérieur des fenêtres Aluminium 0,22Source : IEPF, 2006 p. 15.

Tableau 5.9 : Exemple d’intensité du rayonnement solaire pour murs (m) et vitrages (v), en W/m², 8e parallèle nord en mars (mois le plus chaud)

Heu Hor n S E O n-E n-O S-E S-O

m v m v m v m v m v m v m v m v

7 604 129 103 164 131 585 468 127 102 476 380 127 102 426 341 127 1028 410 158 126 177 141 312 249 158 126 280 224 158 126 253 203 158 1269 639 225 180 267 213 450 360 225 180 414 331 225 180 355 284 225 180

10 800 254 203 322 258 482 385 254 203 463 371 254 203 367 293 254 20311 870 284 227 362 290 408 326 284 227 427 341 284 227 317 253 284 22712 836 283 226 357 285 283 226 283 226 335 268 335 268 283 226 283 22613 749 250 200 315 252 250 200 354 283 250 200 370 296 250 200 277 22214 610 205 164 253 203 205 164 367 294 205 164 354 283 205 164 285 22815 437 154 123 182 146 154 123 308 247 154 123 283 226 154 123 243 19416 237 95 76 105 84 95 76 178 142 95 76 160 128 95 76 146 11717 66 34 27 35 28 34 27 45 36 34 27 42 34 34 27 41 33

Source : IEPF, 2006 p. 17.

Apport de chaleur par renouvellement d’air et infiltrationNous avons vu précédemment que le renouvellement d’air pouvait être source d’apports de chaleur en régions tropicales. Ils peuvent être définis en gains sensibles et latents7.

gains sensibles par renouvellement d’air QSr (W) :QSr = qv . (θe-θi ) . 0,33

7. Apports de chaleur latente dus à la différence de quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air extérieur et intérieur. Les apports de chaleur sensibles sont eux mesurés par la température de l’air.

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gains latents par renouvellement d’air Qlr (W) :QLr = qV . (ωe – ωi) . 0,84

Où,• qV = débit d’air extérieur de renouvellement (m3/h) ;• θe = température extérieure de base (C°) ;• θi = température intérieure de base (C°) ;• ωe=teneureneaudel’airextérieur(g/kgairsec);• ωi=teneureneaudel’airintérieur(g/kgairsec).

Enseignements pour conception du bâtimentContrairement à la ventilation naturelle, pour laquelle l’étanchéité et l’isolation du bâtiment doivent être réduites afin de faciliter les échanges d’air avec l’extérieur, les bâtiments climatisés pourront voir leurs charges réduites via :

• unebonneisolationdesparoislesplusexposéesauxradiationssolaires(typi-quementorientéesEst,Ouestettoits),ainsiquedesmursdepartitionsinternesséparantles zones climatisées et non climatisées ;

• l’utilisationdebardagesventilés;• l’utilisationdesmasquessolaires;• unebonneétanchéitédubâtiment.

5.1.3.2 Gains de chaleur internesLes principaux apports de chaleur internes proviennent des occupants, des lumières ainsi que des appareils électroniques et des machines. Ceux-ci peuvent être estimés en utilisant les équations suivantes :

Apport de chaleur par les occupants8

En fonction de leurs activités et de la température intérieure, les occupants peuvent présenter une source d’apport de chaleur latente et sensible.

gains sensibles occupants QSOc (W) :QSOC= n . CSOC

gains latents occupants QlOc (W) :QLOC = n . CLOC

Où,• n=nombred’occupants;• CSOC = chaleur sensible des occupants (W) ;• CLOC= chaleur latente des occupants (W).

8. IEPF, 2006 pp. 18-20.

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Tableau 5.10 : apport de chaleur par les occupants

activités application Température ambiante [°c] Émissions thermiques

totales [W]

25 °c 26 °c 27 °cchaleur sensible

[W]

chaleur latente

[W]

chaleur sensible

[W]

chaleur latente

[W]

chaleur sensible

[W]

chaleur latente

[W]

assis au repos École, théâtre 65 37 62 40 60 42 102Travail léger Bureau, hôtel,

appartement67 49 63 59 56 60 116

Debout, marche lente

Magasin, boutique

68 63 63 68 57 74 131

Repas Restaurant 77 84 71 90 64 97 161Travail facile Atelier 80 140 72 148 67 153 220Danse Boîte de nuit 88 161 80 169 75 174 249Travail difficile Usine 149 277 142 284 136 290 426

Ces données sont valables pour un homme adulte et devront être minorées de 20 % pour les femmes, de 20 à 40 % pour les enfants, et de 10 % pour un public mixte.

Apport de chaleur par l’éclairageComme indiqué en partie 5, l’éclairage artificiel constitue une source de chaleur QSecl (W) dans des proportions qui varient en fonction du type de lampe :

lampe fluorescente :(9) QSecl = 1,25 P

lampe incandescente :(10) QSecl = P

Où,• P=puissancedelalampe(W).Les 25 % supplémentaires pour la lampe fluorescente représentent la chaleur

dégagée par le ballast électromagnétique.

Tableau 5.11 : chaleur dégagée par l’éclairage

Destination du local ou type d’activité Puissance raccordée [W/m2]lampe à incandescence lampe fluorescente

Entrepôt, habitat, restaurant, théâtre 25 8Bureau, salle de cours, hall d’entrée avec caisse de guichet 65 16Salles de lecture, d’ordinateurs, laboratoire, magasin, hall d’exposition

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Supermarché, très grand bureau, amphithéâtre sans fenêtre, travaux de précision

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Apport de chaleur par les machines et appareillages QSéquip. (W)La majorité des appareils sont des sources de chaleur latente et sensible, dans des pro-portions qui dépendent cependant de leurs durées d’utilisation (coefficient de pondé-ration). Il est, par exemple, estimé qu’un appareil ne fonctionnant qu’une demi-heure par jour dégagera la moitié de sa puissance électrique nominale en apport de chaleur9.

Tableau 5.12 : apports de chaleur par appareils électriques (d’après les indications de divers fabricants, 2006)

Types d’appareils Puissance nominale [W]

gain à admettre [W]

chaleur sensible chaleur latente

Friteuse 5 litres d’huile 2575 464 696Friteuse 10l d’huile 6954 1102 1653Chauffe pains 435 319 29Moules à gaufrettes 2192/719 899/319 609/203Percolateur 2l 993 394 104Chauffe-eau 146 116 29Cuisine électrique et machine à laver 3000 1450 1550Aspirateur 200 50Essoreuse 100 15Congélateur 200l 175 500Fer à repasser 500 230 270Chaîne stéréophonique 40 40 0Téléviseur 175 175 0Séchoir à cheveux 500/1000 175/350 75/250Plaque de cuisson 500/1000 120/250 130/250Grill à viande 3000 1200 300Stérilisateur 150 175 325Ordinateur 400 250 0Cafetière 500/3000 750 300Photocopieuse 750Imprimante à jet d’encre 52Imprimante laser 15Fax 62Source : IEPF, 2006.

9. IEPF, 2006, p. 19.

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5.1.2.2 Charges thermiques totales10

Les charges thermiques totales QT (W) représentent la somme des charges externes et internes et peuvent être découpées en charges sensibles totales et en charges latentes totales.

(11) QT = QS + QL

charges sensibles totales QS (W) :(12) QS = QR + QM + QV + QSr + QSoc + QSécl + QSéquip

charges latentes totales Q l (W) :(13) QL = QLr + QLoc + Q Léquip

Ces charges devront être prises comme base pour le dimensionnement et le choix des installations.

5.1.3 Puissance du climatiseur et de déshumidification11

5.1.3.1 Puissance du climatiseurLa puissance frigorifique du climatiseur dépend des charges thermiques totales QT qu’il faut compenser et est inscrite dans les catalogues constructeurs. Dans le cas contraire, ilestpossibled’utiliserlanotiondecoefficientd’efficacitéfrigorifique(COPFroid) dont les valeurs sont généralement connues :

(14)COPFroid = P f /P aOù,• Pf=puissancefrigorifique(W)• Pa=puissanceabsorbée(W)D’oùlapuissanceabsorbéeparlecompresseur:Pa=Pf/COPFroid

À titre indicatif les coefficients de performance des climatiseurs monoblocs et splits (voir la description des modèles ci-après) sont de l’ordre de 2 à 2,5, une puissance fri-gorifiquede1kWpermettraainsiaucompresseurd’extrairede2à2,5kWdechaleurau local.

5.1.3.2 Puissance de déshumidificationEn milieu tropical chaud et humide, la sensation d’inconfort peu également venir d’une humidité trop élevée même à température modérée. Il est donc important de tenir compte de la déshumidification de l’air local dans le choix du système d’air condi-tionné. Les deux critères à considérer en priorité sont donc :

• LapuissanceduclimatiseurouchargecalorifiquetotaleenWatt,

10. IEPF, 2006, pp. 20-22. 11. IEPF, 2006 pp. 22-24.

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• LapuissancededéshumidificationouchaleurlatentetotaleexpriméeenWattouenkgd’eau/heure(quantitéd’eaupouvantêtreretenueparleclimatiseur),fourniegénéralement par le fabricant.

5.1.3.3 Coefficient de sécuritéLa valeur adoptée en tant que coefficient de sécurité varie en fonction de la confiance apportée au bilan thermique effectué du bâtiment, et se situe généralement entre 0 et 5 %. Il faudra néanmoins éviter d’accroître ce coefficient au-delà, sous peine de risquer de sur-dimensionner les équipements et d’accroître inutilement les coûts.

5.2 Choix du systèmeSi le bilan thermique permettra de définir la puissance optimale du système, il convien-dra également d’opter pour la technologie la plus adaptée aux besoins des occupants du bâtiment (voir encadré 5.2). Ces technologies peuvent être séparées notamment entre :

• Systèmescentralisésentout-air;• Systèmescentralisésair-eauettout-eau;• Lesclimatiseursdelocal(individuels),ycomprislessystèmessplits.

5.2.1 Installations centralisées tout-airLes installations tout-air peuvent être divisées en systèmes à débit d’air constant ou variable, avec un ou plusieurs conduits.

5.2.1.1 Système à débit d’air constant à un seul conduitDans ce système, l’air est utilisé comme gaz caloporteur de froid pour moduler la tem-pérature et l’humidité des espaces internes. Il est préparé dans un caisson de traitement avant d’être envoyé vers les espaces intérieurs via des bouches de soufflage. Le débit d’air est fixé par un ventilateur à vitesse unique : la régulation de la température se fait donc directement en modifiant les caractéristiques thermiques de l’air entrant (via les batte-ries de chauffage ou refroidissement). Le traitement peut-être unizone (ci-dessus) ou multizone, où l’air provenant d’une même centrale est insufflé dans plusieurs locaux, comme illustré ci-après.

Illustration 5.4 : centrale à un seul conduit à débit d’air constant

Source : Université catholique de Louvain, Site Energie + (consultation novembre 2014).

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Encadré 5.2 : Choix du système de climatisation

Le choix du système de climatisation le plus adapté dépendra du type de bâtiment et des besoins. Le tableau ci­dessous fournit quelques critères de sélection entre une installation centralisée, multi­split et individuelle.

Tableau 5.13 : critères de sélection du système de climatisation

climatisation centralisée Multi-split Individuelle

Utilisation Industrielle Professionnelle Grand publicDurée de vie moyenne 20 ans 12 à 15 ans 7 ansDéshumidification Faible, filtration de l’air Bonne BonneTechnicité d’installation Importante Moyenne à importante LimitéeEsthétique/ encombrement

Local technique, condenseur extérieur,

unité intérieure intégrable

Unité extérieure en toiture ou intégrable au local

technique, unité intérieure intégrable

Unité extérieure en façade ou en toiture, unité intérieure apparente

Nuisances sonores Zones techniques Déportées en toitures ou autres

Près de l’unité extérieure

Puissance À partir de 10 unités intérieures, possibilité destockagedefroid

De 16 à 64 unités intérieures(5à100kW)

Inférieure à une dizaine dekW,surpuissance

pouvant aller jusqu’à 60 %Maintenance Horslocauxoccupés,

nombre plus élevé de composants, risques

de condensation

Horslocauxoccupés En locaux occupés + mise en régime rapide

Commande locale Réglage local des vitesses de ventilateurs, régulation de la température d’eau

de départ

Réglage des vitesses des unités intérieures, application précise aux

besoins de froid

Réglage des vitesses des unités intérieures, application précise aux

besoins de froidSource : Solener, ADEME, 2014.

Illustration 5.5 : Système multizone

Source : ENERGIES 2050, d’après www.buildingscience.com (consultation novembre 2014).

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5.2.1.2 Les systèmes à débit d’air constant, deux conduitsÀ double conduit, ou double gaine, la centrale de refroidissement prépare deux niveaux de températures de l’air avec des réseaux de distribution séparés vers les locaux. Cela permet notamment d’avoir plus de flexibilité et d’obtenir un confort différencié dans les différentes pièces climatisées.

Illustration 5.6 : centrale à deux conduits à débit d’air constant

Source : Université catholique de Louvain, Site Energie + (consultation novembre 2014).

5.2.1.3 Unités de toituresInstallés à l’extérieur du bâtiment (et donc devant intégrer une protection contre les aléas climatiques), les rooftops sont des centrales unizones à détente directe fréquem-ment utilisées pour climatiser de grandes salles (bureaux, supermarchés, halls, etc.), ou en climatisation industrielle.

Illustration 5.7 : Rooftops

Source : IEPF, 2006.

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Ces systèmes présentent l’avantage d’être faciles à installer, ils n’encombrent pas et disposent également d’une régulation simple et centralisée, avec variabilité du débit d’air et de la puissance délivrée. Ils amènent en revanche généralement des coûts élevés tant en consommation énergétique que dans l’installation.

5.2.1.4 Les installations tout-air à débit variableÀ l’inverse des systèmes précédents, un système à débit d’air variable module les condi-tions de températures intérieures non pas en changeant les caractéristiques thermiques de l’air entrant mais en modifiant son débit. Celui-ci varie donc entre le minimum requis pour assurer le renouvellement d’air et un maximum qui dépend des charges frigorifiques du local (gains externes et internes).

Ce système est constitué d’une centrale de traitement d’air, de réseaux de conduits et de diffuseurs d’air permettant la répartition de l’air soufflé. Les bouches de soufflage doivent par ailleurs tenir compte de la plage de débits possibles12.

Illustration 5.8 : centrale à débit d’air variable

Source : ENERGIES 2050, d’après Ahmadul Ameen, 2005.

Le débit peut par exemple être régulé pour chaque pièce par un clapet commandé par un thermostat d’ambiance ou un servomoteur. Ce clapet peut être installé directe-ment au niveau des boîtes de détente (gauche) ou au niveau des diffuseurs.

Illustration 5.9 : Réglage d’un clapet au niveau des boîtes de détente et des diffuseurs

Source : IEPF, 2006, p. 100.

12. IEPF, 2006, p. 98.

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Le tableau ci-dessous résume quelques critères de choix des systèmes de climatisa-tion centralisée à air.

Tableau 5.14 : comparatif des avantages/inconvénients et applications des systèmes tout-air

Système avantages Inconvénients Exemples types d’application

Système à débit d’air constant, un conduit

• Simplicitéd’installationet dans les réglages de fonctionnement

• Coûtsdemaintenanceréduits

• Faiblenuisancesonore• Contrôledel’humidité

relative en centrale

• Débitconstant:manque de flexibilité

• Consommationélevée du ventilateur

• Encombrementde l’installation

Intérêt surtout si un seul espace de gros volume à climatiser ou plusieurs locaux avec mêmes charges thermiques

Système à débit d’air constant, deux conduits

• Adaptationdeschargesselon les locaux

• Réactivitédusystème• Contrôledel’humidité

relative en centrale

• Coûtsd’exploitation• Débitconstant:

manque de flexibilité• Consommation

élevée du ventilateur• Encombrement

de l’installation

Locaux avec hauts débits d’air et fortes variabilités entre les zones, notamment secteur industriel

Rooftop • Permetdetraiterdegrosvolumes d’air sans pour autant encombrer la surface au sol

• Rapideàmettreenœuvre• Efficacitéénergétique*

• Coûtsàl’exploitationtrèsélevés à cause des ventilateurs

• Débitconstant:manquede flexibilité

Grandes salles de bureaux ou d’ordinateurs, halls recevant du public, grands magasins, supermarchés, restaurants, ateliers, climatisation industrielle

Système à débit variable

• Tailledelacentraledetraitement diminuée comparée à un débit constant, économie d’investissement

• Plusfaibleconsommationdu ventilateur

• Avantageacoustiqueavecgrande vitesse de ventilateur seulement lorsque c’est nécessaire

• Réglagedudébitd’airmoins aisé que celui d’une température

• Coûtsd’installationélevés• Encombrement

Essentiellement justifié lorsqu’un renouvellement d’air important est nécessaire comme dans les bureaux paysagers et les salles de conférence

Source : Basé sur sources IFDD, 2006, Université Catholique de Louvain et Portail expert de la consommation énergétique (consultation des sites novembre 2014).

5.2.2 Les systèmes centralisés à eau ou air-eauL’eau est ici utilisée comme élément caloporteur, l’air continuant néanmoins d’être pulsé pour assurer les minimums hygiéniques de renouvellement. Nous allons présenter ci-dessous cinq types principaux d’installations centralisées de climatisation à eau :

• Lessystèmesàventilo-convecteurs,

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• lessystèmesavecéjecto-convecteurs,• lesplafondsfroids,• lesplanchers,et• lespoutresrafraîchissantes.Ces systèmes sont en général plus souples et permettent d’obtenir des niveaux de

confort plus élevés à des coûts d’exploitation inférieurs qu’en tout-air, mais avec des frais d’installation supérieurs. Les économies au niveau des coûts d’exploitation concernent essentiellement le ventilateur puisque le transfert du froid se fait ici par pompe à eau.

5.2.2.1 Systèmes à ventilo-convecteursCe système est basé sur la distribution d’eau glacée et d’eau chaude dans des batteries incorporées à un équipement, le ventilo-convecteur, installé dans la pièce à climatiser. Celui-ci est également équipé d’un ventilateur qui permet de souffler de l’air repris ou mélangé dans la pièce. La ventilation pour renouvellement d’air (hygiénique) est assurée ici par une décharge d’air pulsé tandis que la régulation de température est réalisée grâce au transfert thermique entre l’eau chaude/froide et l’air repris (ou neuf) au sein des ventilo-convecteurs.

Illustration 5.10 : Fonctionnement Illustration 5.11 : Modes d’alimentation d’un ventilo-convecteur en air neuf d’un ventilo-convecteur

Source : IEPF, 2006, p. 103. Source : IEPF, 2006, p. 103.

Les ventilo-convecteurs peuvent se présenter sous différentes formes : avec 2 tubes (un seul échangeur), 4 tubes (deux échangeurs), 2 tubes et 2 fils avec uniquement une alimentation en eau glacée ou 2 tubes réversibles (eau chaude ou eau glacée selon les besoins) et 2 fils. En climat tropical, l’air conditionné sera principalement utilisé pour des motifs de refroidissement ; un système 2 tubes et 2 fils peut donc être conseillé et permettra des économies de coûts d’installation.

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Illustration 5.12 : Fonctionnement d’une climatisation par ventilo-convecteur à 4 tubes

Source : Université Catholique de Louvain, Site Energie+ (consultation novembre 2014).

Illustration 5.13 : ventilo-convecteur avec 2 tubes et 2 fils

Source : Université Catholique de Louvain, Site Energie+ (consultation novembre 2014).

Ces systèmes présentent de nombreux avantages notamment en termes de coûts et de flexibilité d’utilisation, et sont à ce titre les plus utilisés en climatisation centrale. Le ventilo-convecteur peut par ailleurs être monté au-dessus d’un faux plafond afin de préserver l’espace du local.

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Illustration 5.14 : Intégration du ventilo-convecteur à faux plafond

Source : Université Catholique de Louvain, Site Energie+ (consultation novembre 2014).

5.2.2.2 Systèmes à éjecto-convecteursComme le ventilo-convecteur, l’éjecto-convecteur utilise le réseau d’eau pour les trans-ferts thermiques et l’air pour la partie hygiène.

Illustration 5.15 : climatisation par éjecto-convecteurs

Source : Université Catholique de Louvain, Site Energie+ (consultation novembre 2014).

La différence est ici que l’air primaire provenant de la centrale, pulsé à haute vitesse (15 à 25m/s)13, va induire un passage d’air secondaire à travers les batteries d’eau du convecteur, amenant un échange thermique par induction. Ce système reste néanmoins très peu utilisé dans les pays chauds et en développement, en partie à cause d’un manque de souplesse quant à son installation et à son fonctionnement nécessitant de pulser en permanence de l’air primaire à haut débit.

13. IEPF, 2006, p. 101.

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5.2.2.3 Les poutres froidesLes poutres froides sont parcourues par de l’eau à température variable, entre 15 et 19°C selon les besoins en refroidissement du local. L’échange se fait par convection naturelle entre les poutres et l’air ambiant.

Dans le système passif, l’air chaud (réchauffé par exemple par les occupants ou les machines) remonte vers les poutres à cause de sa flottabilité plus élevée, se refroidit en traversant l’échangeur et redescend lorsqu’il est plus frais.

Illustration 5.16 : Poutres froides

Source : Portail expert de la consommation énergétique (consultation du site novembre 2014).

Les poutres dites actives font également intervenir le renouvellement d’air « hygié-nique » en le faisant passer par des petites tuyères, renforçant ainsi la convection dans l’échangeur grâce au processus d’induction.

Illustration 5.17 : Poutres actives

Source : Portail expert de la consommation énergétique (consultation du site novembre 2014).

5.2.2.4 Les plafonds rayonnants froidsLes plafonds froids présentent un fonctionnement relativement similaire : de l’eau froide (15°C envi-ron) circule via des canalisations fixées au-dessus de la partie métallique des faux plafonds, tel qu’illustré ci-contre.

Les échanges de chaleur se font ici soit par convection avec l’air ambiant, soit par rayonne-ment. La puissance de telles installations reste cepen-dant limitée (60 à 120W/m²)14 et correspond donc

14. Portail expert de la consommation énergétique (consultation du site novembre 2014).

Illustration 5.18 : Plafond froid

Source : Elemental building (consultation du site novembre 2014).

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mieux à des utilisations en climats tempérés, malgré des avantages certains (faible consommation énergétique, peu encombrant).

5.2.2.5 Les planchers rafraîchissantsLe principe est de faire circuler de l’eau froide (ou pour certains systèmes un fluide frigorigène) au travers de tuyauteries pla-cées sous les dalles du plancher. L’eau peut être refroidie par processus naturels (via pompage dans la nappe phréatique, refroi-dissement par les sols) ou via une machine frigorifique traditionnelle, à une tempéra-ture qui ne doit pas excéder 16°C afin d’éviter la condensation. Tout comme les plafonds froids, ce système n’est ni bruyant ni encombrant, mais les risques de condensation et la mise en régime lente liée à l’inertie du plancher en font un outil peu efficace lorsque les charges frigorifiques sont élevées.

Tableau 5.15 : Récapitulatif des avantages/inconvénients des systèmes à eau

Système avantages Inconvénients

Ventilo-convecteur Coûts et flexibilité d’utilisation.Préserve le local si monté en faux plafond

Bruit, possible encombrementPuissance plus faible qu’un éjecto-convecteur

Éjecto-convecteur Apport d’air neuf séparé de l’apport thermiqueMaintenance

Manque de souplesse à l’installation et dans son fonctionnementNécessite de pulser en permanence de l’air primaire à haut débit entraînant une haute consommation

Poutres rafraîchissantes Faible consommation énergétique, pas d’encombrement ni de bruit

Peu de puissance frigorifique, risques de condensationPlafond froid

Plancher froid

5.2.3 Climatiseurs individuelsLe choix d’un climatiseur individuel (ou climatiseur de local) peut s’avérer judicieux notamment lorsque le bilan thermique des différentes parties du bâtiment a révélé des besoins très localisés ou de grandes variations entre les différents locaux. Ces systèmes présentent également l’avantage d’éviter les coûts liés à l’installation d’un système cen-tralisé, offrent plus de flexibilité et de contrôle, un fonctionnement relativement aisé et une mise en route ne nécessitant dans certains cas qu’un raccordement électrique au secteur. En revanche, le bruit, la possibilité de courants d’airs et l’impact esthétique sont des facteurs à considérer avant d’opter pour ce type de technologie.

Illustration 5.19 : Plancher froid

Source : Rehau, disponible via http://www.climamaison.com/conseil-expert/ plancher-rafraichissant.htm (consultation novembre 2014).

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5.2.3.1 Principes de fonctionnementLe principe d’un climatiseur est d’utiliser une machine frigorifique afin d’extraire la chaleur du local à traiter : le fluide frigorigène s’évapore et capte la chaleur à l’intérieur avant de se condenser et de relâcher cette chaleur à l’extérieur du bâtiment.

Illustration 5.20 : Principe schématique d’un climatiseur de local

Source : Université Catholique de Louvain, Site Energie + (consultation novembre 2014).

Tout comme les systèmes centralisés, les climatiseurs de local se présentent avec des condenseurs tout-air ou à eau.

5.2.3.2 Les condenseurs à air

Les armoires compactes de climatisationCe système s’installe directement dans le local à climatiser et est composé d’un filtre, d’une batterie froide, d’une batterie chaude électrique ou à eau, d’un humidificateur et d’unventilateurcentrifuge.Sapuissancefrigorifiquevariede4à120kWmaissoninstallation directement dans le local peut poser des problèmes de confort auditif.

Illustration 5.21 : armoire compacte de climatisation

Source : Université Catholique de Louvain, Site Energie + (consultation novembre 2014).

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Armoires à condenseur à air séparé (split system)Le condenseur et le compresseur sont ici séparés de l’armoire et installés à proximité en extérieur. Ils sont reliés à l’armoire par une tuyauterie où circule du fluide réfrigérant. Lapuissancedusystèmevade12à220kW.Plusieursvariantesd’installationssontréalisables.

Illustration 5.22 : climatiseur split system

Source : www.climatisation.ch (consultation novembre 2014) (illustration partiellement redessinée par ENERGIES 2050).

Illustration 5.23 : Types d’installations des unités intérieures en split

Source : Université Catholique de Louvain, site Energie + (consultation novembre 2014).

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Conseils pour l’emplacement de l’unité extérieureAfin de ne pas nuire à l’efficacité énergétique du système et à l’esthétique du bâtiment, quelques règles sont à respecter15 :

• Placerlecondenseurdansdeszonesprotégéesdusoleil,unetropgrandeexposition nuira à sa capacité à évacuer la chaleur ;

• Utiliserlesventsdominantspourfaciliterl’évacuationdel’airducondenseur(une évacuation contre les vents nuirait à l’efficacité globale du système) ;

• Placerlecondenseurdansunendroitfacilementaccessible,notammentpourles entretiens ;

• Éviterleplacementducondenseurausoletlemettreàl’abridespoussières,des feuilles mortes, de la terre ;

• Rendrelescondenseurslesmoinsvisiblespossiblesafindenepasnuireàl’esthétique du bâtiment.

Tableau 5.16 : Intégration de l’unité extérieure dans l’architecture du bâtiment

Type d’installation Représentation graphique Remarques

Installation en toiture terrasse

Protection contre aléas climatiques nécessaire, bon échange thermique, protection à la vue par parapets par exemple

Installation sous toiture inclinée

Bonne protection contre la pluie, possibilité de pose de silentblocs, assurer échanges thermiques sous le vent

Sur façade verticale Bon échange thermique (en environnement urbain non confiné), prévoir une protection contre aléas climatiques, transmission du bruit et flux de chaleur à considérer

Source : Solener, ADEME, 2014.

Les appareils installés en toituresLes rooftops ont déjà été évoqués précédemment et peuvent être utilisés en usage indi-viduel. Ils ont des capacités allant de 7 à 350Kw.

15. IEPF, 2006.

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5.2.3.3 Les condenseurs à eau

L’aéro-refroidisseurLe condenseur est ici refroidi par de l’eau glycolée16, elle-même refroidie dans un échan-geur à air, et le système est équipé d’un ou plusieurs ventilateurs ayant pour but d’accé-lérer le refroidissement. Ces systèmes présentent néanmoins des performances moyennes, liées en particulier au réchauffement de la boucle d’eau sous l’effet de températures extérieures élevées.

Illustration 5.24 : Système aéro-refroidisseur

Source : Université Catholique de Louvain, site Energie+ (consultation novembre 2014).

Climatisation avec tour de refroidissement ouverteCe système offre des rendements plus élevés en pulsant l’eau de refroidissement du condenseur à contre-courant du débit d’air extérieur. L’échange entre les deux entraîne une vaporisation de l’eau qui se refroidit et est ensuite conduite vers le condenseur se trouvant près du compresseur. Ce système est plus efficace mais l’ouverture de la tour à l’oxygène extérieur peut néanmoins poser des problèmes de corrosion.

Illustration 5.25 : Tour de refroidissement ouverte

Source : Université Catholique de Louvain, site Energie + (consultation novembre 2014).

16. Eau enrichie en glycol, pour éviter notamment son gel dans les conduits.

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Climatisation avec tour de refroidissement ferméeEn réponse aux problèmes de corrosion posés par une tour ouverte, l’eau venant du condensateur n’est ici plus en contact avec l’extérieur. Les conduits qu’elle traverse sont arrosés par un jet d’eau de refroidissement, eau qui elle-même va se refroidir en s’éva-porant partiellement. La tour fermée peut finalement être refroidie par l’air extérieur pulsé par des ventilateurs (dry cooler).

Illustration 5.26 : Tour fermée

Source : IEPF, 2006, p. 90.

Illustration 5.27 : Dry cooler

Source : IEPF, 2006, p. 90.

Encadré 5.3 : Systèmes à air vs systèmes à eau

L’utilisation de condenseurs à eau est particulièrement recommandée en cas de proximité d’une source naturelle (rivière, lac, puits ) dans laquelle il sera possible de puiser l’eau nécessaire au processus. La tem­pérature de cette eau doit également être compatible avec les condi­tions de fonctionnement prévues car cela impactera les performances du condenseur et les coûts globaux d’exploitation.

En règle générale, les condenseurs à eau présentent de meilleurs ren­dements, sont moins encombrants, moins bruyants, et le débit d’eau de refroidissement peut aisément être contrôlé. À l’inverse, les condenseurs à air sont plus économiques avec un entretien plus facile. Ils économisent l’eau avec la suppression des canalisations hydrauliques et donc ne pré­sentent pas les mêmes problèmes de corrosion et d’entartrage.

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5.2.3.4 Autres critères de sélection d’un climatiseur individuel : efficacité énergétique et acoustique

L’efficacité énergétique du climatiseur peut être définie comme le rapport entre l’éner-gie frigorifique fournie et l’énergie électrique consommée. Cet indicateur est appelé Coefficient de Performance Frigorifique.

COPFroid = puissance frigorifique (Watt)/puissance compresseur (Watt)Un rendement plus élevé permettra d’économiser de l’énergie, à charges frigori-

fiques égales.

AcoustiqueEn terme d’acoustique, un climatiseur individuel peut s’avérer assez bruyant même lorsque les équipements sont situés à l’extérieur du local (condenseur situé près d’une fenêtre, ou transferts de vibrations). Ces effets peuvent être atténués au montage de l’unité extérieure, tel qu’illustré ci-dessous.

Illustration 5.28 : Installation du climatiseur d’un point de vue acoustique

Source : Université Catholique de Louvain, site Energie + (consultation novembre 2014).

Ici la mise en place d’un collier flexible et d’un silentbloc entre l’unité extérieure (schéma du haut) permet de réduire les vibrations et les bruits comparativement à une installation basique (schéma du bas). Le niveau de pression acoustique effectif au niveau de l’occupant peut être calculé en utilisant l’équation suivante :

(15) Lp = Lw – 5 log V – 10 log r +317

Où,• Lp=niveaudepressionacoustiqueaupointchoisiendécibelA(dB(A));

17. IEPF, 2006, p. 90.

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• Lw=Niveaudepuissanceacoustiquedelasourcesonore(duclimatiseur,disponible dans la notice de l’appareil) en dB(A) ;

• V=volumedelapièceenm3 ;• r=distancedelasourcesonoreaupointchoisienmètres.Différentes méthodes permettent de réduire le niveau sonore d’un climatiseur

notamment18 :• Placerdessupportsantivibratoires;• Limiterlebruitdespompes(manchonsantivibratoires,vitessedufluidedans

la pompe réduite) ;• Empêcherlesbruitsdevibrations,notammentavecdesliaisonsflexibles;• Améliorerl’acoustiquedesconduitsd’air(parexempleeninsérantunegaine

absorbante entre local et source sonore) ;• Doublageacoustiquedesparois.À noter qu’un climatiseur de fenêtre offre de ce point de vue de faibles perfor-

mances en transmettant toutes les vibrations sonores vers le local.

5.2.3.5 Choix de la disposition dans le local

Position de la bouche de soufflageLa bouche de soufflage doit se situer en dehors de la zone d’occupation afin d’éviter que le jet d’air ne touche les occupants avant son mélange à l’air ambiant.

Illustration 5.29 : Zone d’occupation dans un bureau, normes Eurovent

Source : IEPF, 2006, p. 89.

Un soufflage sous plafond est favorable afin d’éviter la stratification de l’air sous l’effet de convection et de flottabilité de l’air chaud. Dans ce cas, l’emplacement des parois ne doit pas entraver la circulation de l’air dans les locaux.

18. IEPF, 2006, p. 60.

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Illustration 5.30 : Soufflage sous plafond

Source : IEPF, 2006.

D’autre part, le placement devra se faire en fonction de la vélocité moyenne de l’air sortant du climatiseur, qui dispose en général de trois vitesses. Il s’agit ici d’éviter qu’à vitesse réduite, l’air ne retombe sur les occupants et crée une situation d’inconfort.

La distribution de l’air peut par ailleurs se faire en soufflage depuis le sol. Dans ce cas on évitera les obstructions telles que les rideaux, les tablettes ou la présence d’occu-pants à proximité. Les systèmes posés latéralement et à soufflage horizontal sont ceux susceptibles de créer le plus d’inconfort. Il sera enfin important de vérifier les méthodes d’évacuation des condensats.

Illustration 5.31 : Soufflage depuis le sol, avec zone d’occupation (en pointillé)

Source : IEPF, 2006.

Illustration 5.32 : Soufflage latéral

Source : IEPF, 2006.

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Guide du bâtiment durable en régions tropicales

Position de la bouche de repriseLe brassage peut être amélioré en plaçant les bouches de soufflage et de reprise proches l’une de l’autre, en utilisant par exemple un diffuseur plafonnier circulaire (illustration ci-dessous) où l’air est soufflé par les cônes extérieurs et évacué en partie centrale. Sur un faux plafond équipé, la reprise peut également s’effectuer au travers de luminaires encastrés, ce qui diminue in fine les charges thermiques du local et allonge la durée de vie des lampes. Les reprises au sol sont à éviter car la poussière finit par s’y accumuler.

Illustration 5.33 : Diffuseur plafonnier circulaire

Source : IEPF, 2006, p. 79 (illustration redessinée par ENERGIES 2050).

Illustration 5.34 : Disposition latérale avec soufflage et reprise groupés

Source : IEPF, 2006, p. 80 (illustration redessinée par ENERGIES 2050).

Les illustrations ci-après donnent un aperçu des avantages et inconvénients de différents types de configurations.

Systèmes d’air conditionné et climatisation

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Illustration 5.35 : avantages et inconvénients de différents types de configurations

avantages configurations Inconvénients• Distributionoptimaledel’air• Bruitréduit• Fauxplafondmisàprofit• Multiplicitédescombinaisons

• Risquedecourt-circuitsilesbouchessont trop rapprochées

• Distributionoptimaledel’air• Bruitréduit• Fauxplafondmisàprofit

• Difficultéd’évacuationdescondensats(nécessité d’une pente)

• Fonctionnementcorrectenchauffageet en refroidissement

• Risquedecourt-circuitsivitesse de soufflage trop faible

• Encombrementausol• Difficultéd’évacuationdescondensats

(nécessité d’une pente)• Distributionoptimaledel’airfroid

en pluie• Encombrementausolnul

• Stratificationdestempératures en mode chauffage

• Risquedegradienthorizontaldes températures

• Encombrementausolnul • Court-circuitenmodechauffage• Stratificationdestempératures

en mode chauffage• Vitessedel’airtropsouventélevée

dans l’espace occupé• Unitéencolonnedestinée

au grand volume• Inconfortàhauteurd’hommeàproximité• Risquedecourt-circuit• Risquedegradienthorizontal

des températuresSource : IEPF, 2006.

Mécanismes de régulation :

Régulation du thermostat d’ambiance

L’emplacement du thermostat d’ambiance qui régule le fonctionnement du compres-seur doit se faire dans un endroit qui est représentatif de la température moyenne du local, à l’abri des sources chaudes ou froides (lampes, fenêtres, zones de soufflage par exemple). Cela peut s’ajouter à un programme intelligent de marche en fonction de l’occupation et à une facilité d’utilisation du thermostat.

Choix de la température de consigne

Le choix de la température de consigne doit idéalement évoluer en fonction des tempé-ratures extérieures, avec une différence maximum de 6°C. Cela permettra, notamment, d’économiser de l’énergie et d’éviter les chocs thermiques.

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Guide du bâtiment durable en régions tropicales

Entretien régulier

Suivre les préconisations du constructeur en matière d’entretien, notamment des filtres.

5.3 Autres systèmes de refroidissementD’autres méthodes de refroidissement moins traditionnelles peuvent être exploitées en bâtiment tropical. Nous en présentons quelques-unes ci-dessous.

5.3.1 Refroidissement des luminairesEnviron 70 % de la chaleur totale dissipée par les luminaires peut être évacuée par de l’eau non refroidie qui s’échauffe de 5°C. Le principe est basé sur l’utilisation de tubes liés et d’une chambre d’eau entourant le luminaire.19

Illustration 5.36 : Refroidissement des luminaires

Source : IEPF, 2006.

Illustration 5.37 : Refroidissement des luminaires par eau pulsée

Source : IEPF, 2006.

19. IEPF, 2006, p. 107.

Systèmes d’air conditionné et climatisation

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5.3.2 Stockage de froidApplicableauxcentralesfonctionnantàl’eauglacée,cesystèmepermetdestockerlefroid et ainsi d’atténuer les pointes de fonctionnement, de réduire la puissance de l’ins-tallation nécessaire et de réaliser des économies sur les tarifications. Les plus courants restentlessystèmesàstockagedeglace,telqu’illustréci-dessous.

Illustration 5.38 : Stockage de glace

Source : Université Catholique de Louvain, site Energie + (consultation novembre 2014).

5.3.3 Refroidissement adiabatiqueNous avons vu précédemment que l’air pouvait être refroidi par évaporation mais que ce processus était limité par une humidité déjà élevée en climat tropical. Une solution de contournement consiste à humidifier l’air repris par le climatiseur et à transférer le froid à l’air entrant via un échangeur. La puissance frigorifique installée peut ainsi être réduite à hauteur de 50 %20.

20. IEPF, 2006, p. 111.

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Guide du bâtiment durable en régions tropicales

Illustration 5.39 : Processus de refroidissement adiabatique

Source : IEPF, 2006.

5.3.4 Climatisation solaire par absorptionCes systèmes utilisent l’énergie thermique du soleil dans un dispositif de circuit fermé. Un réfrigérant à l’état gazeux est absorbé par un solvant dans l’absorbeur puis est porté à un niveau de pression plus élevé dans le bouilleur solaire par une pompe. L’apport de chaleur provenant des capteurs solaires permet alors de faire circuler le réfrigé-rant jusqu’au condenseur afin qu’il soit détendu puis remis à l’état gazeux dans l’évaporateur21.

Illustration 5.40 : climatisation solaire par absorption

Source : ENERGIES 2050, d’après Ahmadul Ameen, 2005, p. 5.

De nombreux bénéfices peuvent être retirés d’une sélection judicieuse du système d’air conditionné, et ce, tout au long de la durée de vie du bâtiment : réduction des coûts de construction, d’entretien et de la consommation énergétique, et confort accru. La priorité restera, cependant, de modérer les besoins en amont grâce à une bonne conception du bâtiment. Les tableaux suivants, issus du guide 2006 sur l’efficacité énergétique de la climatisation en milieu tropical, fournissent un aperçu des systèmes disponibles et de leur utilité.

21. www.lepanneausolaire.net (consultation novembre 2014).

Systèmes d’air conditionné et climatisation

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Table

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13-11

6.

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Guide du bâtiment durable en régions tropicales

Référencesahmadul ameen, 2005. The challenges of air conditioning in tropical and humid tropical

climates, Université Sains Malaysia, Pulau Pinang, Malaisie, disponible via http://www.seedengr.com/documents/The%20Challenges%20of%20Air-Conditio-ning%20in%20tropical%20and%20Humid%20Tropical%20Climates.pdf.

Dahl, R., 2013. Cooling Concepts : Alternatives to Air Conditioning for a Warm World. EnvironmentalHealthPerspectives,vol.121(1),pp.A19-A25.

IEPF (Institut de l’Énergie et de l’Environnement de la Francophonie), 2006. Effi-cacité Énergétique de la climatisation en région tropicale, tome 1 : conception des nou-veaux bâtiments, IEPF, Québec, Canada, accès via http://www.ifdd.francophonie.org/docs/prisme/eeTOME1.PDF.

Kemajou a., Mba l. et Pako Mbou g., 2007. Energy efficiency in air-conditioned buildings of the tropical humid climate, Laboratory of Refrigeration and Air Conditioning, Université de Douala, Cameroun, disponible via http://www.arpapress.com/Volumes/Vol11Issue2/IJRRAS_11_2_07.pdf.

Kjellstrom T. et lundgren K., 2013. Sustainability Challenges from Climate Change and Air-conditioning in urban areas, sustainable cities special issue of sustainability, MDPI, Bâle, Suisse, disponible via http://www.mdpi.com/2071-1050/5/7/3116.

Koizumi S., 2007. Energy efficiency of air conditioners in developing countries and the role of CDM, IEA information paper, Paris, France, disponible via http://www. iea.org/publications/freepublications/publication/energy_efficiency_air_ conditioners-1.pdf.

Solener, 2014. L’architecture bioclimatique en climat tropical humide : Conception ther-mique, Module pour l’Initiative pour la Promotion des Villes Durables en Afrique, octobre 2014, Lomé, Togo.

Solener, aDEME, 2014. Guide climatisation tertiaire en Guyane, ADEME Guyane (version d’octobre 2013).

Sites internet (dernière consultation en novembre 2014) et sources additionnelles des illustrationsbuilding Science : www.buildingscience.comclimatisation.ch : http://www.climatisation.chElemental building : http://elementalbuilding.com/2010/07/30/radiant-cooling-in-

the-ceiling/Portail expert de la consommation énergétique : http://conseils.xpair.comRehau : http://www.climamaison.com/conseil-expert/plancher-rafraichissant.htmuniversité catholique de louvain (cellule de Recherche en architecture et climat),

Site Energie + : http://www.energieplus-lesite.beWindfinder : www.windfinder.com

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Chapitre 6Énergies renouvelables

Intégrer l’utilisation des énergies renouvelables dès la conception du bâtiment peut permettre d’accroître leur efficacité, de réduire en amont et de manière durable la

facture énergétique, d’économiser sur les coûts d’installation et de limiter l’impact envi-ronnemental du bâtiment. Dans le cadre d’un climat tropical, on s’intéressera notam-ment aux technologies permettant l’exploitation de l’énergie solaire pour la production d’eau chaude sanitaire et d’électricité. La hausse continue du prix de l’énergie, et parti-culièrement celle des produits pétroliers, rend par ailleurs l’adoption de ces technologies de plus en plus viables économiquement.

Illustration 6.1 : Projection des prix des produits pétroliers

Source : Reuters, IEA (consultation des sites novembre 2014).

6.1 Production d’eau chaude par panneau solaire

Deux types de systèmes permettent de produire de l’eau chaude en utilisant l’énergie solaire : les capteurs plan vitré et les capteurs à tubes sous vide. Ces systèmes sont reliés à un chauffe-eau solaire qui fonctionne à l’image d’une installation traditionnelle.

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Illustration 6.2 : Réseau chauffe-eau solaire

Source : www.les-energies-renouvelables.eu (consultation novembre 2014).

6.1.1 Capteurs plan vitréUn panneau à capteurs plan vitré est composé :

• d’uncorpsnoirabsorbantlerayonnementsolaire(absorbeur).Celui-ciestencontact avec des tubes métalliques dans lesquels circule un fluide caloporteur chargé de transporter l’énergie ;

• d’unisolantthermiquequilimitelesperditionsdechaleur;• d’unesurfacevitréepermettantd’accroîtrel’efficacitédusystèmepareffet

de serre.Tous ces éléments peuvent être intégrés à la toiture ou enfermés dans un caisson,

avec des joints étanches pour protéger le système des pluies.

Illustration 6.3 : capteur plan vitré

Source : www.lepanneausolaire.net (consultation novembre 2014).

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Illustration 6.4 : Fonctionnement du capteur plan

Source : www.lepanneausolaire.net (consultation novembre 2014).

En absorbant une partie de l’irradiation solaire, le capteur s’échauffe et transmet cette chaleur au fluide caloporteur qui circule dans les tubes. L’absorbeur émet égale-ment un rayonnement d’infrarouges qui est en partie absorbé par le vitrage et en partie réfléchi par le film placé sur l’isolant, limitant ainsi les déperditions thermiques en créant un effet de serre.1

6.1.2 Le capteur à tubes sous videLe fonctionnement d’un capteur à tubes sous vide est similaire à celui du capteur plan, mais avec une efficacité accrue : l’air est évacué des tubes qui sont fermés hermétique-ment, ce qui limite les déperditions thermiques. Ces technologies, moins abordables financièrement, sont généralement réservées aux utilisations nécessitant une eau très chaude (80°C) ou pour la climatisation par absorption présentée précédemment.

Illustration 6.5 : Tubes sous vide

Source : www.solairethermique.guidenr.fr (consultation novembre 2014).

1. Institut National de l’Énergie Solaire, 2007.

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Tout comme pour les capteurs plans, il est très important de bien orienter les tubes afin de maximiser l’exposition au soleil.

Illustration 6.6 : Installation de tubes sous vide sur toit

Source:HelioFrance(consultationdusitenovembre2014).

6.1.3 Puissance utile et rendement des capteursLa puissance utile (Eu) pouvant être retirée des capteurs dépendra notamment2 :

• Delapuissancesolaireincidentesurleplanducapteur,enW/m²(E);• Delatempératuremoyenneducapteur(Tm) et de celle à l’extérieur (Text),

qui conditionnent les pertes thermiques, en degrés Celsius ;• Dufacteuroptiqueducapteurb (rapport entre l’ensoleillement absorbé

et l’ensoleillement incident sur le vitrage) qui dépend du facteur de transmission du vitrage t et du coefficient d’absorption a de l’absorbeur.

Le rendement utile est égal à la puissance incidente traversant le vitrage et absorbée par l’absorbeur à laquelle est soustraite la déperdition thermique. Ainsi :

(1) Eu= bP–k(Tm-Text)Où,• k=coefficientdedéperditionsthermiques(W/m²K–Wattparm²pardegrés

de différence de températures entre le fluide caloporteur et l’air extérieur). Ce coefficient dépend notamment du niveau d’isolation et de la qualité de l’absorbeur du capteur, ainsi que de la nature de l’absorbeur.

2. Institut National de l’Énergie Solaire, 2007.

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Plus précisément, le rendement du capteur h (relation entre puissance utile EU et puissance incidente sur le plan du capteur P) peut lui être calculé, selon le standard européen EN-12975, par :

(2) η β= −−

−−( )

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PM EXT M EXT

Où,• a1 = coefficient de déperditions thermiques par conduction du capteur ;• a2 = coefficient de déperditions thermiques du capteur par convection3 ; et• P=l’irradiationsolairereçueparlecapteurenW/m².Les coefficients de déperditions thermiques a1 et a2 dépendent du niveau d’isola-

tion du capteur et de la nature de l’absorbeur. Le tableau suivant donne une indication des valeurs types a1 et a2 en fonction du type de capteur :

Tableau 6.1 : valeurs types de déperditions thermiques a1 et a2

Type de capteur valeur coefficient a1 valeur coefficient a2

Capteur sans vitre Entre 20 et 25 Très importantCapteur vitré simple Entre 4 et 6 Entre 0.05 et 0.01Capteur vitré sélectif Entre 3 et 5 Entre 0.005 et 0.015

Capteur sous vide Entre 1 et 3 Entre 0.004 et 0.01Source : www.solairethermique.guidenr.fr (consultation novembre 2014).

L’irradiation reçue par le capteur P dépendra lui de l’irradiation solaire et de l’angle d’incidence du soleil sur le capteur (ci-dessous 0° correspond à des panneaux orientés perpendiculairement par rapport au soleil).

Tableau 6.2 : Évolution de l’irradiation en fonction du type de l’angle d’incidence du soleil sur la surface du capteur

angle d’incidence Pourcentage du rayonnement solaire sur l’absorbeur

30° 86 % (par exemple 860W/m² pour une irradiation solaire de 1000W/m2)45° 70 %75° 25,8 %90° 0

Source : http://www.bysun.fr (consultation novembre 2014).

Le graphique suivant montre comment l’écart entre les températures de l’air exté-rieur et celles du fluide caloporteur influe sur la performance des différents systèmes.

3. Échange de chaleur entre la surface du capteur et l’air mobile lorsque celui-ci entre à son contact.

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Les capteurs non vitrés sont essentiellement utilisés pour la production de chauffage de l’air et ne sont donc pas ou très peu utilisés en climat tropical.

Illustration 6.7 : Rendement des systèmes en fonction de l’écart Tm-Text

Source : http://www.chauffagesolaire.net (consultation novembre 2014), illustration redessinée par ENERGIES 2050.

Nous pouvons voir que la performance d’un capteur à tube sous vide est accrue comparativement aux capteurs plans à mesure que les températures s’élèvent. Néan-moins, un capteur plan suffira pour une utilisation basique (eau chaude à 50 ou 60°C) et présentera par ailleurs des coûts d’installation moins élevés.

Le potentiel de développement de ces technologies dans les pays tropicaux, qui disposent de conditions a priori favorables (fort ensoleillement, températures extérieures élevées), est d’autant plus conséquent qu’elles n’y sont pour le moment que peu répandues.

Illustration 6.8 : capacité installée de production d’eau chaude solaire par régions

Source : ENERGIES 2050, d’après Mauthner F. et Weiss W., 2014, p. 16.

Plus de détails sur l’orientation et l’installation des panneaux solaires seront fournis dans la partie qui suit.

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6.2 Le photovoltaïque6.2.1 Principes et composantsLe principe repose ici sur la transformation en électricité d’une partie du rayonnement solaire au travers d’une cellule photovoltaïque (PV). Cette cellule est séparée entre une zone présentant un excès d’électrons (dite zone dopée n) et une autre en déficit d’élec-trons (zone dopée p). Elle est fabriquée avec des matériaux semi-conducteurs qui, sous l’action de la lumière et l’apport de photons, émettent des électrons. Ceux-ci sont éjectés dans un circuit fermé et circulent entre les deux zones, produisant de l’électricité. Il est important de souligner que seul le rayonnement solaire est utilisé : les panneaux photovoltaïques auront donc une productivité limitée si placés dans l’ombre ou sous un ciel couvert.

Illustration 6.9 : Représentation schématique du fonctionnement d’une cellule Pv

Source : www.tpepanneauxsolaires.fr (consultation novembre 2014).

Le système dans son ensemble est composé des modules photovoltaïques ainsi que decomposantsregroupéssousletermeBOS(BalanceOfSystem).Ilsincluentnotam-ment les composants de distribution du courant (câbles, connectiques, protection), un onduleur, le système de supervision et le système de production.

Illustration 6.10 : Système photovoltaïque intégré

Source : www.norellagg.com (consultation novembre 2014).

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6.2.2 Efficacité du systèmeLa production d’électricité par une installation peut être estimée en utilisant l’équation suivante4 :

(3) η= × ×E Hi Selec

Où• Eelec=l’électricitéproduiteparlepanneau(kWhparan);• Hi=irradiationglobalereçuependantunanparlesmodulessurunesurface

de1m²(kWh/m².an);• S=surfaceduchampdesmodulesphotovoltaïques;• h = rendement global du système (généralement autour de 0.8).L’électricité produite est donc directement proportionnelle aux radiations solaires

que les cellules reçoivent. Il est donc crucial de bien choisir l’inclinaison des panneaux et de les intégrer dans les premiers stages de la conception du bâtiment.

L’angle d’inclinaison idéal est généralement déterminé par la latitude du site : en régions tropicales, une inclinaison de 0° à 15° est conseillée. La trajectoire du soleil se faiteneffetsurunaxeEst–Ouestavecunpassageassezhautdanslecielquellequesoit la période de l’année. L’installation aux murs ou en matériel d’ombrage pour les fenêtres, notamment celles exposées Nord et Sud, est conseillée parfois en climat tempéré mais n’est ici pas adaptée : les panneaux resteraient à l’ombre une majeure partie du temps.

6.2.3 Conseils pour l’intégration dans un bâtimentL’architecture et l’orientation du bâtiment doivent donc être évaluées en conséquence. Il sera ainsi important de :

• Considérerl’ensembledesobstructionsauxrayonnementsdirectsdusoleil(topographie, infrastructures, végétation) afin de pouvoir minimiser les zones d’ombres sur les panneaux solaires. Dans l’illustration ci-après, la production serait ainsi réduite de 64 % comparée à une installation similaire sans ombrages ;

• Adopterunearchitecturedubâtimentetdesstructuresminimisantleszonesd’ombres sur les panneaux ;

• S’assurerdelabonneventilationdusystèmepouréviterlesapportsthermiquespotentiels vers l’intérieur du bâtiment (ajout de charges frigorifiques) ;

• Favoriserunepenteminimaledestoits(àbalanceravecévacuationdeseauxnéanmoins) afin d’optimiser l’inclinaison des panneaux en milieu tropical ;

• S’assurer lorsde laconceptiondespanneauxde labonneventilationdu matériel et de la protection contre les poussières et pollutions ;

4. www.photovoltaique.info (consultation novembre 2014).

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• Unebonneisolationpermettraderéduirelestransfertsthermiquesentreletoit et l’intérieur du bâtiment, et donc les apports de chaleur non désirés ;

• Lespanneauxsolairespeuventêtredirectementintégrésauxtoitsetamenerdes économies sur les matériaux et les coûts de construction. Ils peuvent également être installés directement sur sols, à condition de respecter l’inclinaison et de vérifier les blocages aux rayonnements solaires potentiels.

Dans les deux cas (production d’eau chaude et électricité) il est enfin très impor-tant que les installations soient facilement accessibles, notamment pour faciliter leur entretien (voir les illustrations suivantes).

Illustration 6.11 : Réduction de la production de Pv suivant les obstructions

Source : ENERGIES 2050, d’après Max Fordham & Partners, 1999.

Illustration 6.12 : Exemple d’ombrage provoqué par un élément du bâtiment

Source : http://forum-photovoltaique.fr/viewtopic.php?f=26&t=7350 (consultation novembre 2014).

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Illustration 6.13 : Panneaux photovoltaïques à plat avec couleur des toits réfléchissante pour limiter les apports de chaleur

Source : EDF EnR via (consultation du site novembre 2014).

6.3 Autres énergies renouvelables : éolien et biomasse

6.3.1 Énergie éolienne

6.3.1.1 Principes de fonctionnementDans le cadre du bâtiment, une option encore peu exploitée mais en développement est l’utilisation d’éoliennes de petite taille. Une éolienne est une structure qui permet la production d’électricité en utilisant la force cinétique du vent.

Illustration 6.14 : composants d’une éolienne

Source : www.les-energies-renouvelables.eu (consultation novembre 2014).

Le vent amène un mouvement circulaire de la pale dont la fréquence est accrue par le multiplicateur. L’énergie générée passe ensuite par le générateur qui produit de l’électricité, dont le voltage est modulé par un transformateur avant d’arriver dans le réseau électrique (individuel ou global) via l’armoire de couplage.

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Des applications individuelles existent avec des tailles de mât ne dépassant pas 12m. La puissance des éoliennes pour particulier (3 à 12m) varient généralement entre 100W et 20Kw selon les modèles. Il s’agit souvent d’éoliennes à trois pales inclinées horizontalement, avec un niveau sonore ne dépassant pas 45dB. Ces structures peuvent être utilisées pour des applications en bâtiments domestiques ou commerciaux et l’éner-gieproduitepeutêtrestockéedansdesbatteries.

La production électrique d’une éolienne peut être définie par l’équation suivante5 :

(4) ρ

=2

3P

C A ue

tot

Où• Pe = électricité produite par l’éolienne (W) ;• Ctot est le coefficient d’efficacité de la structure (sans dimension) ;• A=tailledespâles(m²);• p=densitédel’air(kg/m3) ; et• u=vitesseduvent(m/s).

6.3.1.2 Conseils pour intégration au bâtimentL’efficacité d’une éolienne dépendra de la force et de la direction des vents : une analyse consciencieuse doit donc être faite dans ce domaine et un placement en terrain dégagé (généralement le toit) est conseillé. Le bâtiment peut provoquer cependant des tur-bulences négatives pour les performances de l’installation et il est conseillé qu’une éolienne sur toit ait une taille minimum équivalente à 40 % ou 50 % de celle du bâti-ment, avec une inclinaison des pales plutôt horizontale. Les vibrations peuvent également causer des fatigues de la structure qu’il faudra prendre en considération.

Illustration 6.15 : Éolienne de toit

Source : www.greenvivo.com (consultation novembre 2014).

Le développement de ce type de technologie présente néanmoins certaines limites dues à :

• ladensitéurbainepouvantcréerdesturbulencesimportantes;

5. www.mathworks.fr (consultation novembre 2014).

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• lescontraintesd’usagesélevéesetlespossiblescontraintesréglementaires;• lescoûtsd’investissements:• l’impactsurl’esthétismedubâtiment.

6.3.2 BiomasseLa biomasse inclut toutes les matières organiques telles que la végétation (plantes, arbres, herbes), les résidus agricoles ou les déchets organiques. Les technologies pour la production d’énergie à partir de biomasse sont variées, incluant notamment :

• Lestraitementsthermochimiquesquipermettentdeconvertirlabiomasseen chaleur et en énergie, notamment via la combustion, la pyrolyse ou encore la gazéification ;

• Lesapplicationsencuisine(poêles,chauffe-eau,gazéification).

Tableau 6.3 : Principales utilisations de la biomasse

chaleur Énergie Énergie et chaleur

Chauffe-eau, poêles et chaudières Combustion amenant génération d’électricité par vapeur

Production d’électricité par vapeur + récupération de chaleur

La biomasse est une source importante de production énergétique dans les pays en développement et en milieu rural (cuisine notamment). Intégrer son utilisation dans la structure du bâtiment (par exemple en l’équipant de poêles et de chaudières spécialisés) peut être un moyen efficace non seulement de réduire la facture énergétique mais éga-lement d’intégrer ces pratiques tout en limitant leurs effets négatifs (par exemple sur la santé). Un projet de plusieurs bâtiments pourra également s’équiper d’un biodigesteur, permettant de transformer la biomasse en gaz (méthane) ou en électricité.

Illustration 6.16 : Principes de fonctionnement d’un biodigesteur

Source : La boîte à cerveau (consultation du site novembre 2014), illustration redessinée par ENERGIES 2050.

La fermentation de la biomasse en milieu dépourvu d’oxygène (méthanisation) crée ici du méthane qui est utilisé pour alimenter une chaudière permettant de produire de l’électricité et de la chaleur.

Énergies renouvelables

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RéférencesInstitut national de l’Énergie Solaire, 2007. Formation continue, Présentation des Tech-

nologies Solaires, disponible via http://www.grenoble.archi.fr/chaleursurbaines/DDocumentINTRAEcoleArchi.pdf.

Mauthner F. et Weiss W., 2014. Solar Heat Worldwide,MarketandContributionstothe Energy Supply 2012, AEE-IEA, Gleisdorf, Austria, disponible via http://www.iea-shc.org/data/sites/1/publications/Solar-Heat-Worldwide-2014.pdf.

Max Fordham & Partners, 1999. Photovoltaic in Buildings : A Design Guide, DTI, Gloucester, Royaume-Uni.

Sites internet (dernière consultation en janvier 2015) et sources additionnelles des illustrationsbysun : http://www.bysun.fr/Etude%20de%20rendemment%20des%20capteurs.pdfEDF EnR via : http://dualsun.fr/2013/02/installations-compatibles/Forum Pv : http://forum-photovoltaique.fr/viewtopic.php?f=26&t=7350Helio France via Wikimedia : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Capteur_a_

tubes_sous_vide_001.JPGla boîte à cerveau : www.greenetvert.fr/2011/09/26/la-bouse-et-le-crottin-les-combustibles-

du-futur/33837le Panneau Solaire : http://www.lepanneausolaire.netles Énergies Renouvelables : http://www.les-energies-renouvelables.euMathworks – éoliennes : http://www.mathworks.fr/products/symbolic/code-examples.

html?file=/products/demos/symbolictlbx/Wind_turbine/Wind_turbine_power.html

norellagg : http://www.norellagg.com/pvisole.phpPhotovoltaïque : http://www.photovoltaique.info/Rendement-d-un-systeme.htmlReuters, source IEa : http://in.reuters.com/article/2010/11/09/idINIndia-

52784720101109Institut national de l’Énergie Solaire - Bilan Thermique d’un capteur : http://ines.

solaire.free.fr/solth/page40.htmlSolaire Thermique : http://www.solairethermique.guidenr.frTPE Panneaux solaires : http://www.tpepanneauxsolaires.fr

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Chapitre 7Gestion de l’eau

L’eau est devenue une ressource cruciale dont il faut tenir compte dans la conception des bâtiments. Il existe plusieurs méthodes qui peuvent être appliquées pour réduire

la consommation, notamment :

7.1 Réserver la consommation d’eau potable uniquement à l’alimentation

Utiliser une eau traitée ou de pluie pour l’hygiène, le nettoyage ou l’arrosage des espaces verts peut amener des gains potentiels pouvant aller jusqu’à plus de 90 % de l’eau potable habituellement consommée, en fonction du pays et du mode de consommation.

Illustration 7.1 : consommation d’eau en fonction des usages (France)

Source : ENERGIES 2050, d’après Bulteau G., CSTB 2013, p. 4, à partir des données Cleau.

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Équiper le bâtiment de deux systèmes de plomberie différenciés (eau potable, eau pour utilisation hygiénique) peut permettre de supporter cet objectif. L’eau desti-née pour l’hygiène et le nettoyage peut alors être fournie, par exemple, par la récupéra-tion des eaux de pluie ou par le traitement et le recyclage des eaux grises1 via un système intégré au bâtiment.

Illustration 7.2 : Système de récupération des eaux de pluie intégré en habitat domestique

Source : ENERGIES 2050, d’après http://recuperation-eau-de-pluie.durable.com/ (consultation décembre 2015).

Illustration 7.3 : Principes schématiques d’un système de récupération des eaux grises

Source : ENERGIES 2050, d’après www.aquae.fr (consultation novembre 2014).

1. Eaux savonneuses des bains, douches et lavabos, à différencier des eaux noires des toilettes qui doivent être évacuées.

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7.2 Installer dès la construction des technologies permettant une gestion efficace des ressources en eau

Les technologies permettant une gestion efficace des ressources en eau comprennent notamment :

• Toilettesàfaibleconsommationd’eau(3litresd’eauparchassepourlesplusefficientes, contre 12 en moyenne), toilettes sèches ou encore chasses d’eau à double vitesse (2,2 à 4,4 litres économisés par chasse). Des urinoirs sans eau peuvent également être installés dans les bâtiments non domestiques ;

• Réducteursdepressionsurlesrobinetsetlesdouches,mousseurs(airinjectépour maintenir le débit avec moins d’eau), valves autocontrôlées ou encore pommeaux de douche efficients ;

• Appareilsélectriquesàfaibleconsommationd’eauetàhautesperformancesénergétiques (informations généralement fournies dans le catalogue constructeur) ;

• Plomberierésistanteetentretiensrégulierspouréviterlesfuites;• Choixd’unevégétationlocaleetpeuconsommatriced’eau.

7.3 Limiter le débit d’évacuation des pluies tropicales

Construire un bâtiment mène généralement à une évacuation des eaux de pluie plus rapide car l’étanchéité des sols est accrue. Cela a des conséquences négatives notamment en termes de processus de filtration (sédiments et nutriments) des eaux et de recharge-ment des nappes phréatiques, et peut également amener des risques accrus d’inondation. Différentes méthodes existent pour ralentir ces flux2 :

• Limiterlesperturbationsàlatopographieetvégétationlocalespouvantjouerun rôle dans l’absorption des eaux de pluie. Cela peut également permettre d’éviter des problèmes d’inondations et de glissements de terrain ;

• Renforcerlaperméabilitédessols(pavésetsurfacesporeuses), redirection de l’évacuation depuis les surfaces imperméables vers les surfaces perméables si possible ;

• Utiliserlestoitsvertspouraméliorerl’absorption(illustration 7.4) ;

• Utiliserdestranchéesd’infiltration,desnouesoudes jardins d’eau (jardins construits avec des plantes aqua-tiques et organisés autour de l’eau, en utilisant notamment des systèmes de bassin ou de noues) (illustrations 7.5, 7.6 et 7.7).

2. Conseil Régional du Cairns (Cairns Regional Council), 2011, pp. 22-24.

Illustration 7.4 : Toit vert, université technologique de nanyang (Singapour)

Source : Conseil Régional du Cairns (Cairns Regional Council), 2011, p. 22.

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Illustration 7.5 : Fonctionnement d’une noue

Source : ENERGIES 2050, d’après www.wrightings.com.au (consultation novembre 2014).

Illustration 7.6 : Principes d’une tranchée d’infiltration

Source : ENERGIES 2050, d’après www.spanc-cinor.re (consultation novembre 2014).

Illustration 7.7 : Jardin d’eau

Source : Fundación para la calidad educativa, http://www.fucaed.com/

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Encadré 7.1 : Études de cas de bâtiments verts non domestiques

Tableau 7.1 : Étude comparative de deux bâtiments verts (bureaux)

bâtiments cII Sohrabji godrej green business centre (Hyperabad, Inde)

Open financial centre (Singapour)

Type Centre de commerce avec bureaux, hall pour séminaire et Centre de Technologies Vertes intégré

Centre financier avec grandes baies vitrées, 43étagesdebureaux,5étagesdeparking, 1 étage de commerces.

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Principales mesures

• Gestiontechniquedubâtiment;• Utilisationdebétoncellulairepourréduire

les apports thermiques de 15-20 % ;• Doublevitrageavecremplissageargon;• Eauutiliséetraitéesurplaceetutilisée

pour les espaces verts, avec système de récupération des eaux de pluie ;

• Impactécologiqueminimalsurlesite;• 80%desmatériauxdeconstruction

proviennentdemoinsde800kmdusiteet sont fabriqués pour la plupart à partir de matériaux recyclés ;

• 20%desbesoinsdubâtimentfournispar des panneaux photovoltaïques (capacitéinstallée23.5kW);

• Tauxd’ouverturedelafaçadeNordmaximisé pour l’entrée de lumière sans apport excessif de chaleur ;

• Jardinrecouvrant60%dutoitdubâtiment;• Contrôleautomatiquedeslumièreset

utilisation d’ampoules à haute efficacité énergétique.

• Triplevitrageavecrevêtementàfaibleémissivité pour maximiser l’entrée de lumière tout en limitant les apports de chaleur ;

• Ampoulesàhauteefficacitéénergétique;• 400m²depanneauxphotovoltaïques

recevant75kWpd’énergiesolaireàune hauteur de 250m ;

• Récupérationdel’énergiegénéréeparles ascenseurs durant le freinage ;

• Programmateurautomatiquepourairconditionné et éclairage, avec arrêts automatiques ;

• Mursettoitsvégétauxpourmeilleureprotection contre les radiations ;

• Systèmederécupérationdechaleurpour eau chaude ;

• Recyclagedesmatériauxdeconstructionpour nouveaux bâtiments ;

• Peintureisolantedesparoisextérieures;• Mesuresdeconservationdel’eau.

Source : Asia Business Council (consultation du site novembre 2014).

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Résultats :

bâtiments cII Sohrabji godrej green business centre (Hyperabad, Inde)

Open financial centre (Singapour)

Surface totale du bâtiment

1858 m² 6109 m²

Économie d’énergie

55%baséesurcasdebaseASHRAE90.1,ou120.000kWh/an

35%,ou9.08millionskWh/an

Émissions de gES

100tonnesparan(CO2e) 4500tonnesparan(CO2e)

Économies d’eau

35 % de l’eau potable 37 % (42000 m3 par an)

conductivité thermique du bâtiment

• Doublevitrage:1,7W/m²K• Murs:0,57W/m²K• Toits:0,294W/m²K

42,76W/m²K pour l’ensemble du bâtiment

cOP air conditionné

2,8 2,33

Index d’efficacité énergétique

84kWh/m².an 174kWh/m².an

Des exemples de bâtiment durable peuvent également être trouvés dans d’autres secteurs, notamment dans le domaine du tourisme. L’Hôtel Onomo de l’aéroport de Dakar au Sénégal est un exemple de réalisa­tions concrètes effectuées en Afrique. Ses principales caractéristiques sont notamment :

• Utilisationdematériauxlocaux,avecnotammentunmurd’enceinteen terre crue de 343m*7m, soit près de 930m3 de terre crue com­pressée. Ce matériau a également été choisi pour ses propriétés thermiques (forte inertie) ;

• Bâtimentorganiséautourdepatiosàvégétationluxuriante,versl’in­térieur pour protéger les chambres des nuisances extérieures et favo­risant en même temps un environnement agréable et un éclairage naturel ;

• Douchesprivilégiéesauxbaignoiresdansleschambresetsystèmederécupération des eaux grises ;

• Énergiesolaireutiliséepourl’EauChaudeSanitairea ;

a. www.afrikadaa.com et http://onomohotel.com (consultation novembre 2014).

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Illustration 7.8 : Hôtel Onomo, aéroport de Dakar au Sénégal

Source : http://onomohotel.com (consultation novembre 2014).

Illustration 7.9 : Hôtel Onomo, entrée

Source : www.afrikadaa.com (consultation novembre 2014).

Illustration 7.10 : Hôtel Onomo, cour intérieure

Source : http://onomohotel.com (consultation novembre 2014).

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Référencesbulteau g., cSTb 2013. Présentation des activités liées à la réutilisation des eaux grises,

CTSB, disponible via http://www.cstb.fr/nantes/fileadmin/user_upload/ documents/1303_CSTB_Reutilisation_eaux_grises.pdf.

cairns Regional city council, 2011. Sustainable Tropical Building Design, Guidelines for Commercial Buildings, Conseil Régional du Cairns, Australie, disponible via http://www.cairns.qld.gov.au/__data/assets/pdf_file/0003/45642/Building Design.pdf.

Sites Internet (dernière consultation en décembre 2014) et sources additionnelles des illustrationsafrikadaa : http://www.afrikadaa.com/2011/03/omono-des-hotels-eco-friendly-en.

htmlaquae : http://www.aquae.fr/le-recyclage-des-eau-grises.htmlasia business council : http://www.asiabusinesscouncil.org/ResearchBEE-4.htmlFucaed (Fundación para la calidad educativa) : http://www.fucaed.com/Onomo Hôtel Dakar : http://onomohotel.com/Récupération durable des eaux de pluie : http://recuperation-eau-de-pluie.durable.

com/Service Public d’assainissement non collectif du territoire de la cInOR : http://

www.spanc-cinor.re/spip.php?article68Wrightings australia : http://wrightings.com.au/

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Conclusion du 1er tome

L’intégration des différents objectifs d’une stratégie passive dans la conception d’un bâtiment est un travail complexe mais qui peut être simplifié si l’on respecte des

principes de base organisés autour d’une vision pragmatique du service fonctionnel et esthétique que doit rendre le bâtiment. Celui-ci doit notamment tenir compte des interactions entre les phénomènes de confort thermique, visuel ou sonore, avec pour nœud principal les ouvertures des parois. Ce processus repose en grande partie sur l’analyse approfondie du climat local et sur la définition d’objectifs de confort adaptés.

Par ailleurs, des économies d’énergie substantielles peuvent être réalisées via un dimensionnement approprié des systèmes d’air conditionné correspondant aux charges frigorifiques de chaque local. Le choix du système devra également être décidé en fonc-tion de ces charges, du type de local et des besoins des occupants. L’installation d’outils de contrôle (pour la climatisation mais également l’éclairage) pourra également renfor-cer l’efficacité énergétique future du bâtiment.

Il est finalement possible de réduire l’impact environnemental en intégrant dès la conception l’utilisation d’énergies renouvelables (en particulier les panneaux solaires) et des systèmes de gestion de l’eau.

L’organisation de ce guide s’inscrit dans une démarche de recherche de sobriété énergétique, d’efficacité et de développement des énergies renouvelables dans le bâtiment.

Le second tome aborde ces mêmes problématiques dans le cadre de la réhabilita-tion, mais peut également être considéré comme un complément de ce premier tome, notamment sur l’isolation et l’entretien/régulation des systèmes d’air conditionné.

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Table des illustrations

Illustration 1.1 : Carte des zones tropicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Illustration 1.2 : Classification des climats selon la classification

Köppen-Geigermiseàjour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Illustration 1.3 : Représentation de l’îlot de chaleur parisien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Illustration 1.4 : Diagramme solaire, Perth, Australie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Illustration 1.5 : Trajectoire du soleil à l’Équateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Illustration1.6:Exemplederosedesvents(Oregon,USA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Illustration1.7:DiagrammedeOlgyay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Illustration 1.8 : Diagramme de Givoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Illustration1.9:DiagrammedeGivoni,Ouagadougou,BurkinaFaso . . . . . . . . . . . . . 25Illustration 1.10 : Diagramme de Givoni et Milne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Illustration 1.11 : Diagramme bioclimatique pour Austin, Texas (USA). . . . . . . . . . . . 27Illustration 1.12 : Adaptation de la zone de confort aux pays en développement

situés en climats chauds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Illustration 2.1 : Relation entre PPD et PMV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Illustration 2.2 : Luminance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Illustration 2.3 : Facteur de lumière du jour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Illustration 2.4 : Différentes composantes du FLJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Illustration 2.5 : Voies de transferts des bruits dans un bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Illustration 2.6 : Courbe de Wisner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Illustration 2.7 : Interactions d’un bâtiment avec son environnement immédiat . . . . . 42Illustration 2.8 : Utilisation de la végétation comme protection naturelle. . . . . . . . . . . 43Illustration 2.9 : Exemple d’utilisation d’un diagramme solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Illustration2.10:DiagrammesolaireàPort-au-Prince,Haïti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Illustration2.11:Rosesdesvitessesmoyennesetdesfréquences,Haïti . . . . . . . . . . . . 45Illustration 2.12 : Exemple de stratégie de zonage concentrique appliquée

à un climat tempéré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Illustration 2.13 : Apports de chaleur par radiation et conduction . . . . . . . . . . . . . . . . 47

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Illustration 2.14 : Deux types de bâtiments, à volume égal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Illustration 2.15 : Cour intérieure, Whitesands resort Philippines . . . . . . . . . . . . . . . . 49Illustration 2.16 : Problèmes liés aux atriums traditionnels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Illustration 2.17 : Protection des atriums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Illustration 2.18 : Principes de construction de voûte nubienne. . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Illustration2.19:Voûtenubienneàétage,Boromo,BurkinaFaso. . . . . . . . . . . . . . . . 51Illustration 2.20 : Formes de toits communes (Malaisie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Illustration 2.21 : Exemple d’ombrage fourni par les avant-toits, Australie . . . . . . . . . . 52Illustration 2.22 : Exemple de feuilles de métal en aluminium sur toits . . . . . . . . . . . . 53Illustration 2.23 : Fenêtres persiennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Illustration 2.24 : Maison bâtie avec ecoladrillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Illustration 2.25 : Exemple de plan de masse bioclimatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Illustration 3.1 : les fonctions de la ventilation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Illustration 3.2 : Effet de refroidissement lié à la ventilation en fonction

destempératuresetdel’humiditérelative(RH) . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Illustration 3.3 : Effet de cheminée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Illustration 3.4 : Perturbation de la circulation d’air par vents extérieurs . . . . . . . . . . . 66Illustration 3.5 : Équilibre de pression d’air pour ouvertures de tailles équivalentes . . . 67Illustration 3.6 : Exemple d’augmentation de la vitesse de l’air en fonction

des variations relatives de la taille des ouvertures . . . . . . . . . . . . . . . . 67Illustration 3.7 : Variations de la vélocité de circulation de l’air en fonction

delahauteurHetdesdifférencesdetempératures . . . . . . . . . . . . . . . 68Illustration 3.8 : Utilisation d’un atrium pour ventilation par effet de cheminée . . . . . 69Illustration 3.9 : Vitesse de la circulation de l’air en fonction de la hauteur

et de la taille des ouvertures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Illustration 3.10 : Principes d’une cheminée solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Illustration 3.11 : Cheminées solaires sur bâtiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Illustration 3.12 : Exemple d’organisation interne favorisant la circulation

de l’air en bâtiment domestique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Illustration 3.13 : Absence d’obstructions favorisant la circulation de l’air . . . . . . . . . . 71Illustration 3.14 : Ventilation transversale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Illustration 3.15 : Modification des gradients de vitesse des vents en fonction

des obstacles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Illustration 3.16 : Effets de masque des bâtiments sur les vents . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Illustration 3.17 : Impact d’une végétation à haut tronc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Illustration 3.18 : Différents types de systèmes de ventilation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Table des illustrations

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Illustration 3.19 : Utilisation de murets pour ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Illustration 3.20 : Circulation de l’air en fonction du placement des ouvertures . . . . . . 76Illustration 3.21 : Ventilation transversale avec multiples entrées et sorties d’air . . . . . . 77Illustration 3.22 : Relation entre vents intérieurs (en pourcentage des vents extérieurs)

et pourcentage d’ouverture de la façade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Illustration 3.23 : Circulation de l’air dans les espaces intérieurs avec

et sans partition, en fonction du placement des ouvertures. . . . . . . . 79Illustration 3.24 : Circulation des vents avec et sans tour des vents . . . . . . . . . . . . . . . 79Illustration 3.25 : Réchauffement de l’air entrant via le contact

avec une surface chaude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Illustration 3.26 : Types de ventilation sur bâtiment de plusieurs étages . . . . . . . . . . . . 80Illustration 3.27 : Exemple de stratégie de ventilation intégrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Illustration 3.28 : Exemples typiques de défauts d’étanchéité de l’enveloppe

du bâtiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Illustration 3.29 : Principe d’un refroidisseur par évaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Illustration 3.30 : Utilisation combinée de déshumidificateur et de refroidissement

par évaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Illustration 3.31 : Ventilation différenciée en fonction des températures . . . . . . . . . . . 85Illustration 3.32 : Effets de l’inertie thermique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Illustration 3.33 : Puits canadien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Illustration 4.1 : Reproduction de l’éclairement du ciel en utilisant des boites

équipées de miroirs et des lampes tubulaires fluorescentes . . . . . . . . . 90Illustration 4.2 : Distribution angulaire de la luminance dans le modèle ciel couvert. . . 90Illustration 4.3 : Évaluation de l’angle de ciel visible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Illustration 4.4 : Effet des parois sur le facteur de lumière du jour . . . . . . . . . . . . . . . . 93Illustration 4.5 : Simulation de répartition des facteurs de lumière du jour

en fonction de deux types d’ouvertures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Illustration 4.6 : Étagère à lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Illustration 4.7 : Effet des étagères à lumière sur les facteurs de lumière du jour

en fonction de la profondeur de la pièce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98Illustration 4.8 : Effet de l’utilisation d’un système anidolique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98Illustration 4.9 : Effet directif annulé par toiture voûtée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Illustration 4.10 : Effet de masque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Illustration 4.11 : Types de protections extérieures des fenêtres . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Illustration 4.12 : Utilisation d’un auvent pour bloquer le rayonnement direct . . . . . 101Illustration 4.13 : Variation des coefficients de transmission lumineuse

d’un store vénitien de 16mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

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Illustration 4.14 : Répartition spectrale de différents vitrages en fonction de la teinte (rayons UV à gauche du spectre visible, infrarouges à droite) . . . . . 102

Illustration 4.15 : Dégradé des températures de couleur et correspondance en degrés Kelvin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Illustration 4.16 : Ampoule à incandescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Illustration 4.17 : Représentation schématique d’un tube fluorescent. . . . . . . . . . . . . 106Illustration 4.18 : Exemples de lampes à LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Illustration 4.19 : Relation entre éclairement et température de couleur,

et recommandations pour bureaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Illustration 4.20 : Exemple de représentation graphique, autonomie

en éclairage naturel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Illustration 5.1 : Projection du nombre de systèmes d’air conditionné

dans les provinces chaudes de Chine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113Illustration 5.2 : Types d’orientation des locaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Illustration 5.3 : Relations entre pourcentage de surfaces vitrées des parois

et consommation électrique dans 8 bâtiments commerciaux équipés d’air conditionné au Cameroun. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Illustration 5.4 : Centrale à un seul conduit à débit d’air constant . . . . . . . . . . . . . . . 126Illustration 5.5 : Système multizone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Illustration 5.6 : Centrale à deux conduits à débit d’air constant . . . . . . . . . . . . . . . . 128Illustration 5.7 : Rooftops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Illustration 5.8 : Centrale à débit d’air variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Illustration 5.9 : Réglage d’un clapet au niveau des boîtes de détente

et des diffuseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Illustration 5.10 : Fonctionnement d’un ventilo-convecteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131Illustration 5.11 : Modes d’alimentation en air neuf d’un ventilo-convecteur. . . . . . . 131Illustration 5.12 : Fonctionnement d’une climatisation par ventilo-convecteur

à 4 tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Illustration 5.13 : Ventilo-convecteur avec 2 tubes et 2 fils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Illustration 5.14 : Intégration du ventilo-convecteur à faux plafond. . . . . . . . . . . . . . 133Illustration 5.15 : Climatisation par éjecto-convecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133Illustration 5.16 : Poutres froides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134Illustration 5.17 : Poutres actives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134Illustration 5.18 : Plafond froid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134Illustration 5.19 : Plancher froid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Illustration 5.20 : Principe schématique d’un climatiseur de local . . . . . . . . . . . . . . . 136Illustration 5.21 : Armoire compacte de climatisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Table des illustrations

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Illustration 5.22 : Climatiseur split system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137Illustration 5.23 : Types d’installations des unités intérieures en split . . . . . . . . . . . . . 137Illustration 5.24 : Système aéro-refroidisseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Illustration 5.25 : Tour de refroidissement ouverte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Illustration 5.26 : Tour fermée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140Illustration 5.27 : Dry cooler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140Illustration 5.28 : Installation du climatiseur d’un point de vue acoustique . . . . . . . . 141Illustration 5.29 : Zone d’occupation dans un bureau, normes Eurovent . . . . . . . . . . 142Illustration 5.30 : Soufflage sous plafond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Illustration 5.31 : Soufflage depuis le sol, avec zone d’occupation (en pointillé) . . . . . 143Illustration 5.32 : Soufflage latéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Illustration 5.33 : Diffuseur plafonnier circulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144Illustration 5.34 : Disposition latérale avec soufflage et reprise groupés . . . . . . . . . . . 144Illustration 5.35 : Avantages et inconvénients de différents types de configurations . . . 145Illustration 5.36 : Refroidissement des luminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146Illustration 5.37 : Refroidissement des luminaires par eau pulsée . . . . . . . . . . . . . . . . 146Illustration5.38:Stockagedeglace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147Illustration 5.39 : Processus de refroidissement adiabatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148Illustration 5.40 : Climatisation solaire par absorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148Illustration 6.1 : Projection des prix des produits pétroliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151Illustration 6.2 : Réseau chauffe-eau solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152Illustration 6.3 : Capteur plan vitré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152Illustration 6.4 : Fonctionnement du capteur plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Illustration 6.5 : Tubes sous vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Illustration 6.6 : Installation de tubes sous vide sur toit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154Illustration 6.7 : Rendement des systèmes en fonction de l’écart Tm-Text. . . . . . . . . . . . . . . . . . .156

Illustration 6.8 : Capacité installée de production d’eau chaude solaire par régions . . . 156Illustration 6.9 : Représentation schématique du fonctionnement d’une cellule PV. . . 157Illustration 6.10 : Système photovoltaïque intégré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157Illustration 6.11 : Réduction de la production de PV suivant les obstructions . . . . . . 159Illustration 6.12 : Exemple d’ombrage provoqué par un élément du bâtiment . . . . . . 159Illustration 6.13 : Panneaux photovoltaïques à plat avec couleur

des toits réfléchissante pour limiter les apports de chaleur . . . . . . . 160Illustration 6.14 : Composants d’une éolienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160Illustration 6.15 : Éolienne de toit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

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Illustration 6.16 : Principes de fonctionnement d’un biodigesteur . . . . . . . . . . . . . . . 162Illustration 7.1 : Consommation d’eau en fonction des usages (France) . . . . . . . . . . . 165Illustration 7.2 : Système de récupération des eaux de pluie intégré

en habitat domestique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166Illustration 7.3 : Principes schématiques d’un système de récupération

des eaux grises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166Illustration 7.4 : Toit vert, Université technologique de Nanyang (Singapour) . . . . . . 167Illustration 7.5 : Fonctionnement d’une noue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168Illustration 7.6 : Principes d’une tranchée d’infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168Illustration 7.7 : Jardin d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168Illustration7.8:HôtelOnomo,AéroportdeDakarauSénégal . . . . . . . . . . . . . . . . . 171Illustration7.9:HôtelOnomo,entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171Illustration7.10:HôtelOnomo,courintérieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

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Table des tableaux

Tableau 2.1 : Avantages et désavantages des influences climatiques sur le bâtiment en milieu tropical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Tableau 2.2 : Taux de renouvellement d’air selon le taux d’occupation et l’utilisation du bâtiment pour pays tropicaux africains. . . . . . . . . . . . . 34

Tableau 2.3 : Valeurs typiques du FLJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Tableau 2.4 : Niveau de bruit recommandé dans les locaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Tableau 2.5 : Exemples d’énergie grise de certains matériaux

(variables selon les régions et les méthodes de production) . . . . . . . . . . . 55Tableau 2.6 : Caractéristiques thermo-physiques des principaux matériaux

de construction en Afrique tropicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Tableau 3.1 : Coefficients de multiplication de la vitesse des vents, collines

à versants exposés, pente supérieure à 33 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Tableau 3.2 : Coefficients d’ajustement de la vitesse des vents en fonction

de la hauteur et du type de terrain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Tableau 3.3 : Récapitulatif des différents dispositifs et de l’effet recherché . . . . . . . . . . 75Tableau 3.4 : Conseils pratiques concernant les ventilateurs de plafond . . . . . . . . . . . . 82Tableau 3.5 : Considérations pour systèmes de climatisation naturelle basés

sur la ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Tableau 4.1 : Valeurs recommandées des FLJmoy selon les bâtiments

et les activités (Royaume-Uni). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Tableau 4.2 : Exemples de niveaux d’éclairement à maintenir au niveau

de la zone d’activité et au niveau des zones environnantes, bâtiments non domestiques (normes européennes) . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Tableau 4.3 : Exemple de coefficients de correction en fonction du type de matériel . . . 94Tableau 4.4 : Évaluation de l’impact des étagères à lumière en fonction

delahauteuràlaquelleellessontinstallées,bâtimentàDhaka,au Bangladesh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Tableau 4.5 : Propriétés de modèles de fenêtres en termes de transmission de la lumière visible et des apports de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

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Tableau 4.6 : Valeur des plages d’IRC et correspondance en perception des couleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Tableau 4.7 : Comparatif des différents types d’ampoules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Tableau 4.8 : Indications pour choix des luminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Tableau 4.9 : Classe d’efficacité de différents appareils et consommation moyenne

en fonction de celle des appareils achetés au début des années 90 . . . . . 110Tableau 5.1 : Exemple de caractéristiques climatiques de villes tropicales africaines . . . 115Tableau 5.2 : Valeurs he et hi en fonction du type de parois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Tableau5.3:Exemplesdecoefficientsglobauxdetransmissionthermique(k)

des parois en W/m²C°. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117Tableau 5.4 : Différence de température ∆θ entre les différentes faces des parois . . . . 118Tableau 5.5 : Coefficients d’absorption a pour murs et toits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Tableau 5.6 : Facteur F de rayonnement solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120Tableau 5.7 : Exemple d’intensité du rayonnement solaire sur murs et vitrages

en W/m², latitude 4°Nord en février . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120Tableau 5.8 : Facteurs de réduction g des fenêtres protégées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Tableau 5.9 : Exemple d’intensité du rayonnement solaire pour murs (m)

et vitrages (v), en W/m², 8e parallèle Nord en mars (mois le plus chaud) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Tableau 5.10 : Apport de chaleur par les occupants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Tableau 5.11 : Chaleur dégagée par l’éclairage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Tableau 5.12 : Apports de chaleur par appareils électriques

(d’après les indications de divers fabricants, 2006) . . . . . . . . . . . . . . . 124Tableau 5.13 : Critères de sélection du système de climatisation. . . . . . . . . . . . . . . . . 127Tableau 5.14 : Comparatif des avantages/inconvénients et applications

des systèmes tout-air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Tableau 5.15 : Récapitulatif des avantages/inconvénients des systèmes à eau . . . . . . . 135Tableau 5.16 : Intégration de l’unité extérieure dans l’architecture du bâtiment . . . . . 138Tableau 5.17 : Aperçu des critères de sélection d’un système de climatisation. . . . . . . 149Tableau 6.1 : Valeurs types de déperditions thermiques a1 et a2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 155Tableau 6.2 : Évolution de l’irradiation en fonction du type de l’angle d’incidence

du soleil sur la surface du capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155Tableau 6.3 : Principales utilisations de la biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Tableau 7.1 : Étude comparative de deux bâtiments verts (bureaux). . . . . . . . . . . . . . 169

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Table des encadrés

Encadré 1.1 : Le diagramme solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Encadré1.2:UtilisationdudiagrammedeGivoniàOuagadougou,BurkinaFaso. . . . 25Encadré 1.3 : Utilisation du diagramme de Givoni et Milne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Encadré 2.1 : Adaptation et confort hygrométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Encadré 2.2 : Intégration des différents paramètres de confort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Encadré 2.3 : Intégration simplifiée des paramètres climatiques dans l’orientation

dubâtiment,exempledePort-au-Prince,Haïti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Encadré 2.4 : Note sur la thermie du bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Encadré 2.5 : Matériaux de construction et recyclage des déchets : les ecoladrillos

(ou briques écologiques) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Encadré 3.1 : Cas spécifique du tirage thermique dans les milieux tropicaux chauds . . . 66Encadré 3.2 : Notes sur les infiltrations d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Encadré 4.1 : Limites du FLJmoy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Encadré4.2:ÉtudesdeseffetsdesétagèresàlumièreàDhaka,Bangladesh . . . . . . . . . 97Encadré 4.3 : Conseils pour l’intégration des protections solaires . . . . . . . . . . . . . . . . 103Encadré 4.4 : Choix des équipements et Gestion Technique du Bâtiment . . . . . . . . . 109Encadré 5.1 : Quand utiliser une climatisation artificielle ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Encadré 5.2 : Choix du système de climatisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Encadré 5.3 : Systèmes à air vs systèmes à eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140Encadré 7.1 : Études de cas de bâtiments verts non domestiques . . . . . . . . . . . . . . . . 169

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Init iat ive de la Francophonie pour des vi l les durables

INSTITUT DE LA FRANCOPHONIE POUR LE DÉVELOPPEMENT DURABLE

PROPOSITION 3bis.a

L’Initiative de la Francophonie pour des Villes durables : une approche systémique pour des stratégies urbaines durables

L’Initiative de la Francophonie pour des Villes Durables (IFVD) soutient la mise en œuvre de stratégies urbaines durables en apportant des réponses concrètes et adap-

tées aux réalités de chaque ville, quelle que soit sa taille, tout en promouvant une approche holistique qui prenne en compte la complexité urbaine et les interrelations entre les différents systèmes qui les composent. En pratique, il s’agit de construire un puzzle dans lequel chaque pièce, tout en étant indépendante et indispensable, n’a d’uti-lité que lorsqu’elle se trouve connectée aux autres selon une organisation planifiée, optimisée et cohérente.

Genèse de l’initiativeL’IFVD s’inscrit dans la continuité du programme « Ville, Énergie et Environnement » mis en place par l’Institut de l’énergie et de l’environnement de la Francophonie (IEPF) entre 2002 et 2011. L’originalité de ce programme tenait en grande partie à sa capacité à prendre en compte la diversité d’une ville tout en ciblant des stratégies d’action sur les deux volets « facilement » identifiables que sont l’énergie et l’environnement.

En 2011, l’Institut de la Francophonie pour le Développement Durable (IFDD), nouvelle appellation de l’IEPF, et l’association ENERGIES 2050 ont décidé de pour-suivre l’aventure et ont cofondé l’IFVD pour accompagner les villes et compléter les dynamiques existantes, en s’inscrivant résolument dans une approche systémique.

Une initiative pour mutualiser et démultiplier les moyens d’agirL’IFVD s’appuie sur les nombreux programmes, projets et initiatives dédiés aux villes et aux différents acteurs impliqués, afin de tirer les enseignements de chacun d’eux et de pouvoir prendre en compte la diversité des contraintes et des réalités, que chacun rencontre dès lors qu’il intervient sur l’environnement construit.

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Chaque acteur est confronté aux limites de son territoire de compétence, tout en étant interdépendant des dynamiques que l’ensemble des autres acteurs va mettre en place. Dès lors, l’environnement construit doit s’appréhender comme une partition dans laquelle chaque musicien révèle ses talents de soliste autour d’un objectif commun.

De nombreux partenaires ont déjà rejoint l’IFDD et ENERGIES 2050 dans cette initiative : l’École Africaine des Métiers de l’Architecture et de l’Urbanisme (EAMAU) baséeàLomé;ONU-HABITAT;leProgrammedesNationsUniespourl’Environne-ment(PNUE);leRéseauHabitatetFrancophonie;l’OrdredesArchitectesdeCôted’Ivoire ; etc.

D’autres acteurs essentiels ont manifesté un intérêt pour s’associer aux dynamiques portées par l’IFVD : l’Association Internationale des Maires Francophones (AIMF) ; Cités et Gouvernements Locaux Unis (CGLU) ; etc.

Une organisation matricielle pour une initiative au plus proche de la mise en œuvreL’IFVD a pour ambition de parvenir à des résultats concrets et mesurables. Elle s’arti-cule selon 5 piliers complémentaires :

• fédéreretmutualiser,• comprendreetpartagerpourdesvillesinspiréesendevenir,• mettreenœuvredesprogrammesd’actionàlacarte,• financerlavilleinspirée,• renforcerlacapacitéd’agirpourdesvillesparticipativesetinclusives.

Des premiers résultats concretsDepuis le lancement de l’IFVD en 2011, plusieurs actions concrètes ont été mises en œuvre sous son couvert, comme en témoignent les exemples ci-dessous :

• Uneformationafricainepourlesprofessionnelsdusecteurdelaconstructionet du bâtiment, de l’aménagement et de la gestion urbaine, en partenariat avec l’EAMAU. La 4e session régionale a débuté en octobre 2015. Plus de 75 professionnels, venant de 14 États, ont déjà été formés pendant 4 mois aux enjeux de la transition énergétique et ont chacun mis en œuvre un projet concret dans leurs pays respectifs.

3sessionsnationalesontdéjàétéorganiséeségalementenpartenariatavecl’Ordredes architectes et les acteurs nationaux (Burundi, Togo, Côte d’Ivoire).

• Unmoduledeformationàlaconstructiondurabledanslesfilièresurbanisme,gestion urbaine et architecture de l’EAMAU avec déjà plus de 300 étudiants formés.

• UneUniversitéd’été francophonesur lesvilleset lesbâtiments faceauxenjeux des changements climatiques : une semaine de formation à Nice (France) au mois de juin 2015 intégrée à un cycle de conférences internationales ; 17 participants (Ministèresdel’Habitatetdel’Urbanisme;Ministèresdel’Environnement;OrdredesArchitectes ; etc.).

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• Élaborationdemanuelsderéférenceen2015:Guide du bâtiment durable en régions tropicales (Publication IFDD) ; État de l’art sur le bâtiment durable et les logements sociaux en Afrique Francophone (Publication PNUE).

• Denombreusescontributionsdansdesrencontresinternationales:Africités(Dakar,2012);Ecocity(Nantes,2013);ForumUrbainMondial(Medellin,2014);Atelier Régional Efficacité Énergétique dans le Bâtiment en zone tropicale et Ville Durable(Dakar,2014);ForumGlobalpourl’HabitatDurable/Rio+20+2(Bogota,2014);SommetdesSolutions(NewYork,2014);CongrèsMondiald’ICLEI–gouver-nements locaux pour le développement durable (Séoul, 2015) ; etc.

• Contributionsàplusieursinitiativesinternationales:InitiativeBâtimentsdurables et Climat (PNUE-SBCI) ; Initiative Globale pour des Villes économes en Ressources (GI-REC) ; Programme Bâtiment et Construction durables des Nations Unies(10YFP-SBC);etc.

• Unprogrammede projets pilotes:Maison àÉnergie positive àDakar; Programmes de rénovation de zones urbaines ; etc.

• Unportaild’informationdédiéesurlaplateformefrancophoneMédiaterre(www.mediaterre.org/villes/).

contacts et pour en savoir plus :Institut de la Francophonie pour le Développement Durable (IFDD)56, rue Saint-Pierre, 3e étage, Québec (Québec), G1K 4A1 – Canada ifdd@francophonie.org

EnERgIES 2050688 Chemin du Plan, 06410 Biot – France contact@energies2050.org

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EnERgIES 2050 est née de la certitude que les trajectoires de développement de nos sociétés n’étaient pas une fatalité. Depuis 2007 en tant que réseau informel et, depuis2011,entantqu’OrganisationNonGouvernementalefrançaisesansbutlucratiftravaillant exclusivement dans l’intérêt général, ENERGIES 2050 contribue sans relâche à la transformation de nos sociétés, pour que nos demains soient porteurs d’un avenir plus humain, pluriel et solidaire.

Rassemblant des membres et des partenaires d’une cinquantaine de nationalités, l’association intervient en France et à l’étranger à la mise en place d’un nouveau modèle de développement résolument positif et solidaire afin de transformer les contraintes en opportunités d’actions. Aventure collective à la recherche d’un mieux-vivre ensemble, ENERGIES 2050 est engagée dans la mise en œuvre de la Grande Transition, qu’il s’agisse de la transition énergétique, des villes et des territoires durables ou de la mise en mouvement d’une société plus humaine, plurielle et solidaire, porteuse de paix et respectueuse des biens communs de l’humanité.

ENERGIES 2050 organise ses activités selon 5 axes complémentaires :• Réaliserdesprojetsdemiseenœuvredémonstratifsetreproductiblesaccom-

pagnés d’études techniques et d’actions de recherche pour témoigner des possibles ;• Organiserouparticiperàdesrencontresetàdesconférencesafindedémul-

tiplier les opportunités d’échanges et de débats ;• Publierlesrésultatsdesrecherchesafindemutualiseretdepartagerlessavoirs;• Éduquer, formeret renforcer lescapacitéspourquechacunpuissecom-

prendre, connaître et agir ;• Communiquerauplusgrandnombrepourinformer,mobiliseretfédérerles

envies d’agir.Les thématiques d’intervention d’ENERGIES 2050 sont l’écodéveloppement et

le développement durable ; les politiques climatiques, environnementales et énergé-tiques ; la transition énergétique ; le développement des sources d’énergies renouve-lables ; le tourisme responsable et durable ; le bâtiment et le secteur de la construction ; les défis et les opportunités d’agir des territoires ruraux et urbains ; les villes durables ;

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les ressources naturelles et les biens communs de l’humanité ; l’économie de l’écologie et de l’environnement ; les dynamiques entrepreneuriales responsables et la performance des entreprises ; les stratégies de développement bas carbone ; le genre ; l’éducation à l’environnement ; les dynamiques sociales ; les changements de comportement et l’action citoyenne ; l’économie sociale et solidaire.

Les activités d’ENERGIES 2050 s’inscrivent dans une vision permanente de soli-darité et d’équité. ENERGIES 2050 plaide pour une implication de l’ensemble des citoyens du Monde dans la mise en place d’un nouveau modèle de développement partagé, à imaginer collectivement.

Les actions et recherches d’ENERGIES 2050 s’inscrivent simultanément au niveau local, point d’ancrage de toute mise en œuvre et laboratoire des actions à élabo-rer, et au niveau global, car il s’agit de partager et de dupliquer les expériences réussies tout en bénéficiant des leçons tirées des échecs.

EnERgIES 2050 688 chemin du Plan – 06410 Biot – France contact@energies2050.org – www.energies2050.org +33 (0)6 80 31 91 89

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Guide du bâtiment durable en régions tropicales

I N S T I T U T D E L A F R A N CO P H O N I E

P O U R L E D É V E LO P P E M E N T D U R A B L E

L’Institut de la Francophonie pour le développement durable (IFDD) est un organe sub-sidiairedel’OrganisationinternationaledelaFrancophonie(OIF)etsonsiègeestàQuébec.

À l’origine dénommé Institut de l’Énergie des Pays ayant en commun l’usage du Français (IEPF), l’IFDD est né en 1988 peu après le IIe Sommet de la Francophonie, tenu à Québec en 1987. Sa création faisait suite aux crises énergétiques mondiales et à la volonté des chefs d’État et de gouvernement des pays francophones de conduire une action concertée visant le développement du secteur de l’énergie dans les pays membres. En 1996, l’Institut inscrit les résolutions du Sommet de la Terre de Rio-1992 comme fil directeur de son action et devient l’Institut de l’énergie et de l’environnement de la Franco-phonie. Et en 2013, à la suite de la Conférence de Rio+20, il prend la dénomination Institut de la Francophonie pour le développement durable (IFDD).Sa mission est de contribuer :

• àlaformationetaurenforcementdescapacitésdesdifférentescatégoriesd’acteurs de développement des pays de l’espace francophone dans les secteurs de l’énergie et de l’environnement pour le développement durable ;

• àl’accompagnementdesacteursdedéveloppementdansdesinitiativesrela-tives à l’élaboration et à la mise en oeuvre des programmes de développement durable ;

• àlapromotiondel’approchedéveloppementdurabledansl’espacefrancophone;• audéveloppementdepartenariatsdanslesdifférentssecteursdedéveloppement

économique et social, notamment l’environnement et l’énergie, pour le développement durable.

L’action de l’IFDD s’inscrit dans le Cadre stratégique de la Francophonie, au sein delamissionD«Développementdurable,économieetsolidarité»etdel’Objectifstratégique 7 « Contribuer à l’élaboration et à la mise en oeuvre du Programme de développementpourl’après-2015etdesObjectifsdudéveloppementdurable».

L’Institut est notamment chef de file des deux programmes suivants de la program-mation2015-2018del’OIF,misenœuvreenpartenariatavecd’autresunitésdel’OIF:

• Accroîtrelescapacitésdespaysciblésàélaboreretàmettreenoeuvredesstra-tégies régionales nationales et locales de développement durable, inclusives, participatives et axées sur les résultats, aux niveaux régional, national et local ;

• Renforcerlescapacitésdesacteursfrancophonesenvued’uneparticipationactive aux négociations et décisions internationales sur l’économie, l’environnement et le développement durable, ainsi que leur mise en oeuvre.

www.ifdd.francophonie.org

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L’OrganisationinternationaledelaFrancophonie(OIF)estuneinstitutionfondéesur le partage d’une langue, le français, et de valeurs communes. Elle rassemble à ce jour 80 États et gouvernements dont 57 membres et 23 observateurs. Le Rapport sur la langue française dans le monde 2014 établit à 274 millions le nombre de locuteurs de français.

Présentesurlescinqcontinents,l’OIFmènedesactionspolitiquesetdecoopé-ration dans les domaines prioritaires suivants : la langue française et la diversité cultu-relleetlinguistique;lapaix,ladémocratieetlesdroitsdel’Homme;l’éducationetla formation ; le développement durable et la solidarité. Dans l’ensemble de ses actions,l’OIFaccordeuneattentionparticulièreauxjeunesetauxfemmesainsiqu’àl’accès aux technologies de l’information et de la communication.

La Secrétaire générale conduit l’action politique de la Francophonie, dont elle est la porte-parole et la représentante officielle au niveau international. Madame Michaëlle Jean est la Secrétaire générale de la Francophonie depuis janvier 2015.

57 États et gouvernements membresAlbanie • principauté d’Andorre • Arménie • Royaume de Belgique • Bénin • Bulgarie •Burkina Faso • Burundi • Cabo Verde • Cambodge • Cameroun • Canada • Canada-Nouveau-Brunswick• Canada-Québec • République centrafricaine • Chypre • Comores • Congo • République démocratique du. Congo • Côte d’Ivoire • Djibouti • Dominique • Égypte • Ex-République yougoslave de Macédoine • France • Gabon • Ghana • Grèce • Guinée • Guinée-Bissau • Guinée équatoriale •Haïti• Laos • Liban • Luxembourg • Madagascar • Mali • Maroc • Maurice • Mauritanie • Moldavie •principauté de Monaco • Niger • Qatar • Roumanie • Rwanda • Sainte-Lucie • Sao Tomé-et-Principe • Sénégal • Seychelles • Suisse • Tchad • Togo • Tunisie • Vanuatu • Vietnam • Fédération Wallonie-Bruxelles

23 observateursAutriche •Bosnie-Herzégovine• Costa Rica • Croatie • République dominicaine • Émirats arabes unis • Estonie • Géorgie •Hongrie• Kosovo • Lettonie • Lituanie • Mexique • Monténégro • Mozambique •pologne • Serbie • Slovaquie • Slovénie • République tchèque • Thaïlande •Ukraine• Uruguay

ORGANISATIONINTERNATIONALEDELAFRANCOPHONIE 19-21, avenue Bosquet, 75007 Paris France Tél. : +33 (0)1 44 37 33 00 www.francophonie.org

InstItut de la francophonIe pour le développement durable (Ifdd)56, rue Saint-Pierre, 3e étage, Québec (Québec) g1K 4a1 canada

L’iFdd est un organe subsidiaire de l’Organisation internationale de la Francophonie. www.ifdd.francophonie.org

Si le bâtiment durable fait l’objet d’une littérature abondante et peut s’appuyer sur des réglemen-tations, des programmes de certifications spécifiques ou encore des mesures de soutien facilitant son intégration dans un certain nombre de pays, la situation en zones tropicales, particulièrement dans les pays en développement et émergents qui les composent, est souvent plus problématique. L’urbanisation massive et parfois informelle – couplée à des pratiques de conception et de construction peu adaptées à ces régions – a conduit à de nombreux déséquilibres aussi bien environnementaux qu’économiques et sociaux. Ces impacts apparaissent insoutenables que ce soit au regard des objectifs du développement durable que de l’utilisation efficace des ressources naturelles ou de la qualité de vie des habitants.

Le guide « bâtiment durable en régions tropicales » a pour objectif d’apporter des éléments de réponse à ces problématiques et de servir de référence aux professionnels du secteur de la construction et, plus généralement, de l’environnement construit ainsi qu’aux institutions publiques intervenant dans les régions concernées. Il s’inscrit comme une suite du rapport « effi-cacité énergétique de la climatisation en milieu tropical » publié par l’Institut de l’Énergie et de l’Environnement de la Francophonie (2006), en élargissant les problématiques traitées et en intégrant l’ensemble des perspectives énergétiques et environnementales.

Ce Guide s’inscrit dans le cadre des Initiatives francophones pour la promotion des villes durablesenAfriqueportéesparl’OrganisationinternationaledelaFrancophonie(OIF)àtraversson organe subsidiaire l’Institut de la Francophonie pour le Développement Durable (IFDD), et par ses partenaires. En particulier, ce Guide est une réalisation concrète de l’Initiative de la Francophonie pour des Villes Durables (IFVD) cofondée par l’IFDD et l’association ENERGIES 2050 en 2011. En ce sens, il se veut également une opportunité pour chacun de questionner ses pratiques professionnelles et de s’inscrire dans des dynamiques de développement et d’aménage-ments résilients, sobres en ressources naturelles et en carbone, porteuses d’un mieux-vivre partagé et générateur d’activités économiques répondant aux critères du développement soutenable.

Ce premier tome est consacré à l’intégration des objectifs de durabilité dans la concep-tion des nouveaux bâtiments. Il est composé de sept chapitres :

Chapitre 1 : Climat et diagrammes bioclimatiquesChapitre 2 : Stratégies passives dans le bâtiment, bases et conceptsChapitre 3 : Ventilation et systèmes de refroidissement naturelsChapitre 4 : Éclairage naturel et intégration avec éclairage artificielChapitre 5 : Systèmes d’air conditionné et climatisationChapitre 6 : Énergies renouvelablesChapitre 7 : Gestion de l’eau.Le second tome du guide est complémentaire de ce premier et se concentre sur l’efficacité

énergétique des bâtiments existants en régions tropicales.